十八碳氧脂信号分子在珊瑚-虫黄藻共生中的新发现：从立体特异性到跨伙伴转运的机制解析

《Communications Biology》：Octadecanoids as emerging lipid mediators in cnidarian-dinoflagellate symbiosis

本研究针对珊瑚礁生态系统中关键的虫黄藻-刺胞动物共生机制不清的问题，通过手性超临界流体色谱-质谱联用技术系统分析了海葵Exaiptasia diaphana及其共生藻的十八碳氧脂代谢谱。研究发现共生状态显著改变了氧脂分子的立体构型，并首次鉴定出虫黄藻来源的13(S)-HOTE可向宿主转运，提示其作为共生标志物及潜在免疫调节因子的功能。该研究为理解共生互作的分子对话提供了新视角，对珊瑚礁保护具有重要启示。

　　

珊瑚礁被誉为海洋中的热带雨林，其绚丽的色彩和蓬勃的生机很大程度上归功于珊瑚虫与虫黄藻（Symbiodiniaceae）的细胞内共生关系。这种古老的共生体系通过光合作用为宿主提供能量，但维持这种精密互作背后的分子对话机制却始终笼罩在迷雾之中。当环境压力导致共生崩溃（即珊瑚白化）时，整个生态系统便面临崩塌风险，这使得揭示共生稳态的调控机制成为珊瑚礁保护的核心科学问题。

在众多潜在信号分子中，氧脂（oxylipins）——一类由多不饱和脂肪酸氧化衍生的生物活性脂质介质——逐渐崭露头角。它们广泛参与植物、动物和微生物的免疫与通讯过程。然而，以往研究多聚焦于二十碳衍生的类二十烷酸（eicosanoids），而对十八碳氧脂（octadecanoids）在海洋共生体系中的作用知之甚少。这些分子是否以及如何参与宿主与共生藻之间的“化学对话”，是理解共生建立与维持的关键。

为此，由新西兰惠灵顿维多利亚大学Simon K. Davy教授和瑞典卡罗林斯卡学院Craig E. Wheelock教授领衔的国际研究团队，以模式生物海葵Aiptasia（Exaiptasia diaphana）为研究对象，开展了一项突破性的研究。他们利用先进的手性超临界流体色谱-串联质谱（SFC-MS/MS）技术，首次系统绘制了不同共生状态下十八碳氧脂的立体特异性代谢图谱，并揭示了虫黄藻来源的特定氧脂分子向宿主转运的现象。该研究成果发表于《Communications Biology》，为揭示珊瑚共生的分子语言提供了全新视角。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先建立了稳定的人工共生体系，包括无共生藻宿主、与本地共生藻Breviolum minutum共生、与非本地共生藻Durusdinium trenchii共生的海葵模型以及离体培养的虫黄藻；其次，运用手性SFC-MS/MS平台对84种十八碳氧脂进行了精确定量与立体构型分析；此外，结合转录组数据进行了从头组装和脂氧合酶（LOX）同源序列筛选，以鉴定潜在的生物合成酶；最后通过多变量统计和酶学特征位点分析揭示了代谢表型与分子机制的关联。

研究结果

Distinct biosynthesis patterns of oxylipins in aposymbiotic anemones vs. cultured dinoflagellates

通过手性质谱分析，研究发现无共生藻海葵与离体培养的虫黄藻在十八碳氧脂生物合成上表现出截然相反的立体特异性。无共生藻宿主主要合成R-构型单羟基氧脂（如HOTEs、HOTrEs等），而对映体过量值（ee%）高达64-100%，表明严格的酶促合成。相反，两种虫黄藻（B. minutum和D. trenchii）则专一性地合成S-构型分子，特别是13(S)-HOTE和13(S)-HOTrE（ee% ≥94%），提示其体内存在活跃的13(S)-脂氧合酶（LOX）通路。这种物种特异的对映体偏好性为后续解析共生体内的分子交换提供了重要基线。

Alterations in octadecanoid pathways in response to symbiotic state

共生状态引起了氧脂代谢谱的显著重塑。主成分分析显示，共生相较于共生藻种类对宿主代谢谱的影响更大。共生宿主体内多数十八碳氧脂水平上调，且对映体过量值普遍下降（S-构型分子在宿主中上调，R-构型在共生藻中上调）。特别值得注意的是，与同源共生藻B. minutum共生使宿主的促炎分子9(R)-HODE水平下降3倍，暗示其可能有助于维持共生稳态。而非同源共生藻D. trenchii则引发宿主环氧衍生物（EpODEs, EpOMEs等）高达30倍的上调，且整体氧脂丰度升高更显著，这与该共生组合已知的细胞应激状态相符。

Evidence for potential inter-partner exchange of octadecanoids

最引人注目的发现之一是潜在跨伙伴氧脂转运的证据。无共生藻宿主中完全检测不到的13(S)-HOTE，在共生宿主体内显著出现，且在与D. trenchii共生时浓度更高。与此同时，共生藻体内的13(S)-HOTE水平在共生状态下显著降低，其S-构型对映体过量值从离体时的100%急剧降至10-23%。这种此消彼长的变化模式强烈暗示虫黄藻合成的13(S)-HOTE在共生过程中被转运至宿主细胞，可能作为共生状态的生物标志物，并潜在调控宿主的免疫应答。

Novel 9(S)- and 13(S)-lipoxygenases in Symbiodiniaceae

通过转录组挖掘和系统发育分析，研究团队成功鉴定出虫黄藻中新型脂氧合酶基因。在B. minutum中发现一个新型13(S)-LOX候选基因（MSTRG.59407），其活性位点残基组合（丙氨酸和苯丙氨酸）与拟南芥AtLOX3一致。在D. trenchii中则鉴定出两个99.9%同源的9(S)-LOX候选基因（MSTRG.68745/7968），其Coffa决定位点（丙氨酸）和Hornung位点（缬氨酸）特征表明其9-位加氧特性。这些LOX在共生与离体状态下均持续表达，且系统进化显示它们自成一支，与真菌锰-LOX亲缘较近，而与绿色藻类和高等植物LOX进化距离较远。

研究结论与意义

本研究首次系统揭示了十八碳氧脂在刺胞动物-虫黄藻共生中的立体特异性合成规律和代谢重塑。不仅证实了共生状态对氧脂通路的深刻影响，更重要的是发现了虫黄藻来源的13(S)-HOTE向宿主转运的潜在新机制。该分子可能作为共生状态的“分子指纹”，并通过与宿主的立体特异性受体（如G蛋白偶联受体或过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR）结合，调控NF-κB等炎症相关转录因子，从而维持共生稳态。

研究还揭示了共生特异性对代谢表型的调控：同源共生通过下调促炎信号促进和谐共生，而非同源共生则引发更强烈的氧化应激反应。新发现的虫黄藻LOX基因为理解氧脂生物合成的分子基础提供了关键线索，其独特的进化地位暗示了共生藻在氧脂代谢上的特殊适应性。

这项研究填补了珊瑚共生分子信号领域的知识空白，为通过生物工程和选择性育种优化宿主-共生藻配对提供了新靶点。未来对十八碳乃至更长链氧脂信号的持续探索，将有望为珊瑚礁生态系统的保护与修复开辟新的干预策略，帮助这些“海洋热带雨林”在气候变化挑战中增强韧性。