藻類對溫度脅迫響應機制的國內外研究進展

李恬靜薇，鄒瀟瀟，鮑時翔*

(1.河北農業大學海洋學院，河北 秦皇島 066000；2.中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所，海南省海洋生物資源功能性成分研究與利用重點實驗室，海南 海口 571101)

藻類是海洋中初級生產力的代表，種類豐富，生長迅速。隨著對海洋生物的開發，人類越來越認識到海藻的價值，藻類含有許多與人類日常活動相關的活性物質，在醫藥、美容、化工等行業都有很好的應用前景。藻類也能夠改善水體的富營養化，調節海洋生態系統的平衡。近年來藻類養殖業迅速發展，但產量和品質參差不齊。溫度是影響海洋藻類生長和品質的主要生態因子，低溫和高溫環境都會對藻類的生長造成脅迫，嚴重影響其經濟價值[1]。

隨著溫室效應的加劇，夏季海水的溫度也逐年升高，高溫對海洋藻類的脅迫效應越發嚴重。一般認為當溫度高于藻類正常生長溫度5～10℃時，藻類就會產生熱激反應，長時間的高溫脅迫會使藻類機體產生耐熱性來抵抗高溫環境[2]。低溫對藻類的影響主要是對細胞膜系統造成損傷。低溫會導致藻類的活性氧代謝失衡，造成細胞內活性氧累積，致使蛋白質變性，破壞膜的結構，還可以導致脂膜過氧化，破壞細胞內外滲透壓平衡等。低溫除了會對膜系統造成傷害外，也會導致葉綠素降解，降低光合和呼吸速率等[3]。因此研究藻類溫度脅迫響應機制對了解藻類抵抗溫度脅迫的遺傳機理，挖掘藻類抵抗溫度脅迫的關鍵基因和代謝通路具有重要意義。本文討論了藻類溫度脅迫的響應機制，為系統研究溫度脅迫下藻類調控機制提供了一些思路。

1 光合系統對溫度脅迫的響應

光合作用是植物生長過程中最重要的反應，光合速率直接決定著植物的生長力水平。近年來，大多數研究表明光合系統是植物對溫度脅迫最敏感的部位[4]，在環境溫度發生變化時，光合作用最先受到抑制。這一結論同樣適用于生活在更為復雜環境中的藻類。研究發現，溫度脅迫下藻類光合作用活性下降的速度快于生長活性[5]。溫度脅迫對藻類光合作用的脅迫主要表現在降低了二氧化碳的固定速率，使光合系統中的電子傳遞速率下降和對葉綠體的結構造成損傷等。

在溫度脅迫的條件下，光合作用的光反應和暗反應都會受到不同程度的抑制。對于光反應來說，一些藻類(如麒麟菜、紫菜、節旋藻)中發現了溫度脅迫會對藻類的光合效率和葉綠素含量產生影響，且脅迫程度越大，影響越顯著[6-8]。光反應主要是依靠類囊體上的光系統一(PSI)和光系統二(PSII)兩個反應中心來進行的。研究表明，光系統二(PSII)在溫度脅迫條件下更為敏感，更容易受到損傷。PSII的電子受體側最先受到影響，同時，捕獲光色素(chl-a和Car)和反應中心(RC/CSm)也被破壞。在溫度脅迫下，與PSII相關的基因表達水平發生變化(編碼PsbO、PsbP、PsbQ、PsbR和Psb28等)，組成放氧復合體的外在亞基PsbO、PsbP、PsbQ、PsbV會在高溫下釋放，進而導致位于PSII類囊體膜腔表面的放氧復合體構象發生改變[9]，這也是高溫脅迫造成光合速率下降的主要原因。同時反應中心的D1蛋白失活并產生光抑制現象，但若在反應中心被激活后，D1蛋白可以通過不斷從頭合成來修復損傷，從而在PSII的光損傷和其再生之間取得平衡[10]。在強光照射下，PSII的修復速率常數隨著溫度的升高而增加，微藻菌株也可以通過世代適應對極端溫度進行生理適應[11]。PSII修復的三個關鍵步驟對溫度脅迫非常敏感，即光損傷PSII中D1蛋白的分解、pre-D1的產生和向成熟D1蛋白的轉化，這表明，溫度脅迫可能不會直接增加光損傷，而是通過阻礙D1的重新合成而影響PSII修復過程[12]。

PSII的反應中心被中心天線(CP47和CP43)和外部天線所包圍，外部天線包括數量較少的小捕光復合體I(LHCI)和主要捕光復合體II(LHCII)，LHCII的主要作用是接收和傳遞能量到PSII的反應中心，并參與控制PSII和PSI之間激發能的供應。藻類通過調控核基因編碼捕光蛋白(LHCa、LHCb)的表達，從而控制天線的大小。高溫和低溫脅迫都會對藻類的捕光蛋白造成影響，但其對高溫和低溫脅迫的響應模式并不相同。在大葉藻光系統一(PSI)的捕光蛋白基因中，lhca3基因在低溫和高溫脅迫條件下表達量都顯示出上調趨勢，lhca1基因只在高溫脅迫條件下表達量增加；光系統二(PSII)捕光蛋白基因中，lhcb1.1在高溫和低溫脅迫條件下表達量都顯示出上調趨勢，lhcb3、lhcb5 、lhcb6基因只有在高溫脅迫下才顯示出上調趨勢，lhcb1.2、lhcb4基因在高溫脅迫和低溫脅迫下都沒有表現出明顯的上調或下調趨勢[13]。

暗反應是二氧化碳固定反應，簡稱碳固定反應。CO2的光合作用固定對藻類的發育和生長至關重要，它提供新陳代謝所需的碳水化合物，以及結構成分和細胞結構單元。溫度脅迫會導致與類囊體膜相關的氧化還原反應的明顯變化和細胞糖等級的調整。與二氧化碳固定有關的關鍵酶，如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)在光合作用暗反應中發揮關鍵作用[14]。RubisCO亞基的基因表達水平會受到溫度脅迫的顯著影響，如在硬毛藻中編碼RubisCO大亞基的rbcL在溫度升高到20℃時上調，但隨著溫度進一步升高，其表達下調[15]。

2 抗氧化系統對溫度脅迫的響應

在溫度脅迫條件下，細胞中的許多代謝通路會受到抑制并產生大量的活性氧，包括超氧化物陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫、脂質過氧化物和單線態氧等。過量活性氧和自由基的累積會對蛋白質、DNA、脂質和其他細胞結構物質造成氧化損傷影響其正常的生理功能。過量的活性氧會激活藻類的抗氧化系統，使其具備有效的清除活性氧的能力來抵抗溫度變化產生的脅迫。許多研究表明，植物所具有的酶促和非酶促抗氧化系統在藻類中同樣存在[16]。

作為海洋系統的主要組成部分，已經證實綠藻、褐藻和紅藻形成了抗氧化防御機制來應對活性氧的潛在損害[17]。更有研究表明，在各種藻類中抗氧化劑水平和各種抗氧化酶活性與藻類應激耐受性密切相關[18]。ROS的升高主要誘導ROS清除酶的合成，即抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、超氧化物歧化酶(SOD)和硫氧還蛋白(TRXs)以及參與谷胱甘肽生物合成的酶。作為第一道防線，SOD迅速將O2·-轉化為O2和H2O2，生成的H2O2可通過過氧化物酶轉化為H2O，如在液泡、細胞壁和細胞質中發現的APX和GPX[19]。在微藻中有很多關于在不同非生物脅迫下SODs、APX和GPX的活性被誘導的報道[20]。高水平的SOD、過氧化物酶(POD)、APX和抗氧化物質(還原型谷胱甘肽)有助于提高麒麟菜的耐低溫能力[21]。杜氏鹽藻在熱脅迫條件下，編碼SOD、GPX、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和抗氧化酶類的抗氧化基因在過氧化物酶體、谷胱甘肽代謝、抗壞血酸和海藻鹽代謝途徑中表達上調。此外，谷胱甘肽合成酶編碼基因的上調和編碼谷胱甘肽水解酶(GHY)和γ-谷氨酰轉移酶(γ-gtp)的基因下調將確保谷胱甘肽的積累，谷胱甘肽能夠防止活性氧對重要細胞成分造成損害[9]。過氧化氫酶(CAT)在抵抗應激過程中發揮重要作用，可以催化H2O2交換為H2O或其他無毒分子，在萊茵衣藻中，CAT可以清除來自光呼吸和脂肪酸氧化的H2O2[22]。錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、釩一溴過氧化物酶(V-BPO)、過氧化還原酶V(PrxVl)和CAT是龍須菜抵抗高溫脅迫過程中主要發揮作用的酶[23]。

此外，與光合作用有關的抗氧化化合物是類胡蘿卜素和維生素a-生育酚。類胡蘿卜素是藻類的重要光合色素之一。它們主要參與光合作用的光采集過程，保護光合系統免受光誘導的氧化應激。類胡蘿卜素作為抗氧化劑，能夠從葉綠素中猝滅1O2和激發能，從而減少1O2的產生和積累。研究發現，ROS觸發了杜氏藻中類胡蘿卜素的平行積累[24]；在幾種脅迫條件下，雨生紅球藻中觀察到類胡蘿卜素生物合成相關基因的擴增表達[25]。此外，生育酚(Toc)在維持氧化還原平衡方面也有重要作用，并且在應激時其生物合成明顯增加。Toc通過抑制光合成過程中類囊體膜產生的ROS(主要是1O2和OH·)，以及通過去除脂質過氧化基(LOO·)來抑制脂質過氧化[26]。雖然ROS在正常和應激條件下都會產生，基本水平的ROS對于存活細胞的功能至關重要，但ROS穩態可能會受到壓力的影響，從而導致ROS水平升高甚至最終達到氧化應激，細胞防御機制通過減少ROS的產生和促進ROS的清除來對抗自由基損傷。

溫度脅迫還會誘導藻類產生藻膽蛋白，藻膽蛋白具有顯著的抗氧化特性，研究發現藻膽蛋白是藍藻水提物具有抗氧化特性的直接原因[27]。

研究表明不同藻類的抗氧化系統抵抗高溫和低溫脅迫的機制并不相同。Yang J J等[28]研究了石莼在高溫和低溫脅迫下的不同抗氧化反應。發現培養48 h后，溫度脅迫處理組SOD和CAT活性均有不同程度的提高，與中溫對照相比，高溫脅迫主要增加SOD、CAT和APX的表達，而低溫脅迫則不增加SOD、CAT和APX的表達。李虎[29]研究發現，在輕度低溫和輕度高溫脅迫下，麒麟菜和卡帕藻體內的SOD、POD、APX、GPX等抗氧化酶的活性增強，GSH等抗氧化物含量增加，但在重度低溫和重度高溫脅迫條件下，SOD、POD、APX、GPX等抗氧化酶的活性下降、抗氧化物質含量降低。說明在輕度溫度脅迫條件下機體會啟動抗氧化系統以適應脅迫環境，在重度溫度脅迫下抗氧化系統則會受到損傷，影響機體正常生理活動。

觀察兩組患者的治療效果,并分為分為顯效、有效和無效三種情況。顯效:患者的臨床癥狀基本消失,胸痛、惡心等癥狀得到明顯改善;有效:臨床癥狀得以緩解,發作頻率減少;無效:臨床癥狀依然存在,患者病情未得到改善,或者胸痛、惡等癥狀更加嚴重;總有效率為顯效和有效的總和。

3 滲透調節物質對溫度脅迫的響應

藻類為了在脅迫條件下保持細胞的完整性，可通過滲透壓調節來穩定細胞內外的滲透壓平衡。在高溫處理的單細胞藻中觀察到細胞質的可逆收縮，通過測序分析發現水脅迫誘導蛋白Rab21和質子泵(PPII)表達上調。Rab21蛋白只存在于胞質溶膠中，可由水分脅迫誘導，PPII能刺激H+-ATP酶活性并產生膜電位，在植物適應脅迫條件中發揮作用。這兩個蛋白具有共同的相互作用分子-脫落酸(ABA)，可以在鹽脅迫下調節保衛細胞和根細胞的H-atp酶活性。這些蛋白的上調可能與觀察到的細胞質的收縮有關，說明高溫脅迫也會導致滲透脅迫和水分脅迫[30]。

在滲透脅迫條件下，藻類會積累有機溶質如脯氨酸和糖醇。即使在高滲透壓下，這些“相容的溶質”也不會阻礙酶反應，而是保護膜和酶免受破壞穩定的離子的致命影響。這些相容的溶質由四元氨基酸衍生物組成，包括單糖、二糖類和多糖、糖醇和磺胺化合物。已知脯氨酸的積累發生在各種極端條件下，如紫外線輻射和低溫。脯氨酸也可以保護酶免受熱失活[31]。戊二酸途徑的脯氨酸生物合成是通過Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)催化的，后者限制了通過該途徑的通量。在各種植物研究中，P5CS的表達模式被作為脯氨酸產生的指標進行了檢測[32]。在紫菜和龍須菜中發現低溫和高溫均會影響脯氨酸的含量[33-34]。然而，溫度對微藻脯氨酸水平的影響尚無文獻報道。

近年來研究發現在海藻中存在的海藻糖對提高機體的脅迫耐受性也起到重要作用，海藻糖通過其吸水能力能夠對生物膜、蛋白質的結構起保護作用，并能保證酶在逆境條件下不會失活。此外，它非常穩定，可以耐受高溫和酸性條件。海藻糖的增加還可以提高光合速率，減少應激引起的光氧化損傷。發菜在低溫脅迫后，脯氨酸和海藻糖含量顯著上升，光系統Ⅱ的活性被抑制。說明低溫脅迫破壞了質膜的完整性并且對光合系統造成損傷，細胞內滲透調節系統迅速發揮作用，增強發菜懸浮細胞對低溫脅迫的適應性[35]。在滲透脅迫下，小球藻中海藻糖含量升高[36]。然而，在受紫外線脅迫的小球藻株中，參與海藻糖合成的基因出現了出人意料的抑制[37]。海藻糖類的紅藻糖苷也具有抗脅迫的能力，在高溫脅迫下，壇紫菜Phgpdh和Phnho1兩個基因表達上調，促進合成紅藻糖苷的前體物質3-磷酸甘油的合成。說明在高溫脅迫環境下，壇紫菜可能通過上調Phgpdh和Phnho1兩個基因的表達，刺激3-磷酸甘油和紅藻糖苷的合成，從而提高對溫度脅迫的抵抗能力[38]。

4 信號傳導系統對溫度脅迫的響應

藻類在遭受溫度脅迫時，細胞會感受并傳導溫度脅迫信號，并做出相應的生理響應，使其能在溫度脅迫的環境下維持正常的生理活動。因此信號傳導系統與藻類的抗性有直接的關系。信號傳導分子主要包括鈣信號、磷脂酰肌醇信號、3-5環腺苷酸(cAMP)信號、蛋白酶和蛋白激酶等。

Ca2+作為植物細胞中的重要信使之一，對許多的生理過程都具有調控作用。熱激信號的傳導主要依靠Ca2+-鈣調素(CaM)系統共同調節。CaM對熱激基因表達的調控機制首先是由Ca2+提高熱激轉錄因子(HSF)與DNA的結合能力，促進熱激基因的轉錄與表達激活熱激反應，而后Ca2+濃度的升高促使CaM基因的轉錄和表達，使細胞中CaM的濃度也升高，從而進一步促進熱激基因的轉錄[39]。由質膜Ca2+通道產生的Ca2+信號對壇紫菜響應高溫脅迫具有重要意義，高溫脅迫顯著增加了Ca2+內流，提高了CaM及其編碼蛋白的表達水平。當質膜Ca2+通道被抑制時，Ca2+內流、CaM表達水平、CaM豐度水平和光合活性顯著降低。這些變化最終降低了壇紫菜的耐熱性。此外，熱休克蛋白基因(HSP22和HSP70)在高溫條件下表達上調，而在Ca2+注入率降低后表達下調[40]。Ca2+還可以在高溫條件下調節海帶體內的多種抗氧化酶的活性，提高海帶抵抗高溫脅迫的能力[41]。在高溫脅迫下，滸苔中的鈣依賴型蛋白激酶CDPK可通過激活還原型輔酶(NADPH)氧化酶來調節H2O2的含量[16]。

細胞中的蛋白酶和蛋白激酶共同催化蛋白質的可逆磷酸化，是許多信號傳導系統中的重要部分。當細胞受到生物或非生物脅迫時，蛋白質的可逆磷酸化會對絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸殘基產生修飾作用，促進多種信號因子的交聯反應。也可調節細胞膜系統中的離子通道，從而激活在逆境中的抗性。Jiménezc等[42]研究發現杜氏鹽藻在熱脅迫、紫外脅迫、缺氮脅迫時p38 MAP kinase(促分裂原活化蛋白激酶)同時被上調和磷酸化，使用p38-MAP kinase和c-Jun N-末端激酶(JNK)活性特異性抑制劑處理后，發現杜氏鹽藻對脅迫的適應能力明顯受損。藍藻為抵抗外界環境變化產生的信號傳導識別機制——二元系統和磷酸根傳遞系統。其主要過程為：組氨酸蛋白質激酶感受域首先感受到外界刺激，并對組氨酸蛋白質激酶的活性進行調節，其二聚化區域的His殘基在組氨酸蛋白質激酶的催化下發生磷酸化，接下來轉移磷酸基團在反應調節蛋白(RR)的催化下從磷酸組氨酸轉移到它自己的一個天冬氨酸(Asp)殘基上，反應調節蛋白(RR)調節域的磷酸化使下游的效應物區域激活，從而產生特異的輸出反應[43]。在高溫脅迫下的滸苔中也發現了類泛素蛋白、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶、腺苷酸激酶、鈣依賴型蛋白激酶(CDPK)等多種蛋白和蛋白激酶表達上調[16]。

5 熱激蛋白對溫度脅迫的響應

高溫誘導的熱激蛋白的表達在各種生物體中都很常見。根據其分子質量，熱激蛋白被分為幾類，包括HSP90、HSP70和一些小熱激蛋白等。眾所周知，HSP90通過穩定和維持不穩定蛋白接近其自然形態的狀態，在保持蛋白質的穩態方面具有顯著的作用，此外，HSP90還參與各種信號和細胞通路[44]。HSP70伴侶蛋白還參與蛋白質加工的其他方面，特別是蛋白質轉位和蛋白質折疊。高溫脅迫和光照誘導都可以使鹽藻中HSP70 mRNA的含量提高，但高溫脅迫下更為明顯[45]。Chankova等認為HSP70B可以作為不同環境下小球藻的溫度脅迫標記，不同環境下小球藻具有不同的溫度耐受性；在類似的溫度脅迫下，南極小球藻的HSP70B含量比嗜熱小球藻和嗜中溫小球藻高出約30%[46]。在不同種類的紫菜中也發現了類似的現象，皺紫菜(Porphyracrispata)在31℃高溫處理10 min就可以檢測出其體內的HSP70基因表達水平明顯上調至最高水平；壇紫菜(Porphyrahaitanensis)和長紫菜(PyropiadentataKjellm)需要31℃高溫處理1 h，其HSP70基因表達水平才可上調至最高水平[47]。

此外，一些小熱激蛋白(sHSPs)的表達在物種特定的閾值溫度下上調，表明sHSPs與藻類中溫度感知系統的關聯。Uji T等[48]在條斑紫菜中鑒定出了5個小熱休克蛋白(sHSPs)：PysHSP18.8、19.1、19.2、19.5和25.8，并發現在熱激處理2 h后，5個PysHSP基因的mRNA顯著增加，4 h后逐漸降低；冷處理8 h后，除PysHSP19.5表達上調外，其他PysHSP基因的表達無明顯影響。在單細胞藻中，高溫脅迫誘導了葉綠體HSP26.2表達上調，發現它與三磷酸腺苷合酶α、β亞基、大黃體細胞葉綠素a-b結合蛋白、PSII的氧釋放增強蛋白和PSI亞基VI蛋白相互作用，說明葉綠體HSP26.2在高溫脅迫下起保護作用[30]。

6 轉錄因子調控對溫度脅迫的響應

轉錄因子(Transcription factors，TF)是一種能與DNA序列結合的蛋白，可以單獨或與其他蛋白結合形成復合體，提高或者阻斷特異性基因對RNA聚合酶的招募，調控基因的表達。在高溫脅迫下，在植物體內參與植物熱激反應調控的轉錄因子主要有：熱激因子HSFs(Heat shock transcription factors)、脫水應答元件結合蛋白 DREB(Dehydration-responsive element-binding protein)、多蛋白結合因子MBF1c(Multiprotein-bridging factor 1c)，WRKY 轉錄因子、MYB 類轉錄因子、NAC 轉錄因子、堿性亮氨酸拉鏈 bZIP(Basic leucine zipper)等。已證實了在兩種綠藻萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)和金牛鴕球藻(Ostreococcustauri)中存在轉錄因子調控[49]。也發現轉錄因子對激活嗜熱紅藻的低溫適應性起到主要作用[50]。低溫脅迫下，萊茵衣藻中的轉錄因子與對照相比發生了差異表達，且差異表達的TF的數量隨著冷暴露時間的增加而穩定增加，整個過程中bZIP家族的差異數目最多，其次是MYB相關家族和AP2/EREBP超家族的ERF家族[51]。

在正常生理狀態下，HSFs以無活性的單體狀態存在，當受到熱脅迫時，HSFs三聚化并與位于熱激蛋白啟動子上的順勢元件-熱激元件結合，調控下游基因的表達，而后，HSFs又與熱激原件解離，恢復單體狀態。HSFs家族有三大類，分別為HSFA、HSFB和HSFC。這三種HSF不僅會協同發揮作用，還會與其他轉錄因子相互作用，也可以調控其他轉錄因子的表達水平[52]。藻類中的轉錄因子對溫度十分敏感。其中萊茵衣藻中的HSF1具有高等植物A類HSFs的特征，HSF1在非應激條件下弱表達，在熱激條件下誘導迅速[53]。脫水應答元件結合蛋白DREB基因的啟動子與脫水應答元件結合后調控熱激相關基因的表達，該轉錄因子主要通過誘導HSFA表達來參與熱脅迫應答，還可以調控脫落酸(ABA)信號系統和游離脯氨酸含量[54]。多蛋白結合因子MBF1c不僅可以調控熱激相關基因的表達水平，還可以作為轉錄共激活因子調控海藻糖-水楊酸-和乙烯信號通路[55]。黃一江[56]克隆了微擬球藻的NgAURE01轉錄因子并通過序列比對發現其與無隔藻中的AUREOCHROME轉錄因子高度相似，都是由堿性亮氨酸拉鏈bZIP和c端的光氧電位勢傳感(LOV)蛋白組成。

7 其他功能性因子對溫度脅迫的響應

近年來許多研究發現一些功能性因子如不飽和脂肪酸、揮發性有機化合物(VOCs)、泛醌氧化酶和谷胱甘肽S-轉移酶等在藻類的溫度適應性方面也起到非常重要的作用。不飽和脂肪酸(如PUFAs)可以在低溫下保持膜的流動性，藻類可以通過增加PUFAs來適應低溫。已經在大多數微藻中觀察到極性脂質的含量隨著溫度的降低而增加，而溫度的升高則導致更多的非極性脂質積累[57]。Zuo Z等[58]研究發現，在高溫脅迫條件下，滸苔中的CHCl3的釋放量隨溫度的升高而增加，說明藻類在溫度脅迫條件下會釋放大量的揮發性有機化合物(VOCs)，這些化合物可以增加藻類對環境脅迫的抗性。Monteiro C M M等[59]研究發現低溫條件下海帶體內的泛醌氧化酶可以通過轉移電子傳輸鏈中的電子來減少活性氧的產生，同時發現谷胱甘肽S-轉移酶(GST)在0℃和8℃時上調，在15℃時下調，說明谷胱甘肽S-轉移酶也可能與溫度適應性有關。

8 “組學”和基因編輯技術在藻類抗逆機制研究中的應用及前景

最近，“組學”(包括基因組學、蛋白質學、轉錄組學和代謝組學)的進展使人們對藻類有了更深入的了解。例如，Grossman A R等匯編了包括萊茵衣藻在內的四種藻類的基因組信息，以便更好地理解各種代謝途徑[60]。轉錄組學可以從單核苷酸水平對特定物種的整體轉錄活動進行檢測，從而全面快速地獲得該物種在某一狀態下的幾乎所有轉錄本及相應的豐度信息。Shin H S等通過對一種耐熱微藻進行轉錄組測序得到26 245個編碼蛋白質的轉錄本，其中83.7%可以被注釋到叚定的功能上，發現超過681個基因差異表達，并揭示了藻類細胞器對溫度變化的特異性反應[61]。蛋白質組學能提供有關蛋白質和細胞亞基的官能團的有價值的信息。例如Fan M等使用相對和絕對定量同位素標記(ITRAQ)結合液相色譜-串聯質譜(LC-MS/MS)對滸苔在高溫脅迫下的反應進行比較蛋白質組學分析，與對照相比，在高溫條件下共鑒定出1 223個差異蛋白，其中790個上調蛋白，433個下調蛋白[16]。此外，代謝組學可以對活細胞在特定時刻的代謝產物進行全面和定量的分析，可以揭示蛋白質表達和基因調控的實際結合以及環境的影響。生物信息學和分析工具的最新進展提高了我們分析大量代謝物、評估對外部刺激的代謝變化以及解釋代謝途徑的能力。“組學”分析對于理解響應非生物脅迫的分子網絡的完整過程至關重要。為解釋藻類復雜的非生物應激反應，定義新發現的應激反應分子的作用是必要的。

此外，各種基因操作或基因編輯方法，如CRISPR/Cas9基因編輯技術可用于產生耐脅迫藻類[62]。CRISPR/Cas9可以通過NHEJ或HDR突變直接在感興趣區域精確編輯基因組，從而導致確定的DNA置換、刪除和插入。CRISPR/Cas9技術已應用于藻類的模式物種——萊茵衣藻，實現了降低Cas9相關毒性的同時有效地進行靶向基因編輯[63]。利用基因編輯技術，還可以在與非生物脅迫相關的藻類蛋白和基因的功能研究、對其生物學的理解以及對其代謝途徑的描述方面取得進一步的成就[62]。雖然CRISPR藻研究技術還處于起步階段，希望在不久的將來能被更多的應用，它有助于提高我們理解藻代謝和對環境的反應，并被用于生產更多的耐脅迫的藻類在工業中使用。

9 結語

藻類在溫度脅迫下的響應涉及基因表達、蛋白合成和代謝通路的改變，并會引起生理和生化過程的改變。隨著高通量技術的快速發展，轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學在藻類抗逆性研究中得到了廣泛的應用，對藻類溫度脅迫的分子響應機制的研究也逐漸深入，越來越多與溫度脅迫相關的基因被發現，但還有很多功能未知的基因和蛋白也參與了藻類對溫度脅迫的響應。由于藻類生存在環境較為復雜的海洋之中，必然會形成一套獨特的抵抗脅迫的能力。與研究較為透徹的陸地植物相比，對藻類響應溫度脅迫的研究還遠遠不夠。了解藻類對溫度脅迫的應答機制，對研究植物的遺傳與進化、培育抗逆新品種、促進海藻養殖業的發展具有重要的意義。