利用基因表达分析揭示聚球藻响应重金属和采出水的关键基因及其在生物修复中的应用潜力

本研究针对石油工业副产物采出水(PW)的环境污染问题，利用聚球藻(Synechococcus elongatus)开展重金属(HM)和PW胁迫下的转录组分析。通过RNA测序发现，PW和铁胁迫分别导致67和11个基因显著上调，27和337个基因下调，鉴定出硝酸盐ABC转运蛋白和谷氧还蛋白(grxC)等关键基因，为利用CRISPR等基因编辑技术增强微生物修复能力提供了重要靶点。

　　

随着人口增长和资源需求上升，石油工业快速发展过程中产生大量采出水（Produced Water, PW），这种含有重金属、有机污染物和化学试剂的废水若未经处理直接排放，将造成严重环境风险。当前物理化学处理方法成本高且易产生二次污染，而利用蓝藻等微生物进行生物修复因其环境友好和可持续特性备受关注。聚球藻(Synechococcus elongatus)作为模式蓝藻，具有高效吸附重金属的能力，但其分子机制尚不明确。为此，研究团队通过转录组学分析揭示了该藻在PW和铁胁迫下的基因调控网络，为后续基因工程改造提供了关键靶点。本研究发表于《International Microbiology》。

研究主要采用以下技术方法：1）使用BG-11培养基培养S. elongatus UTEX 2973，设置对照组、加铁组(3 mg/L铵柠檬酸铁)、5%和25% PW暴露组；2）通过OD₇₃₀监测生长曲线；3）利用RNA-Seq技术（Illumina NextSeq 550平台）分析16小时时间点的转录组变化；4）采用Kallisto和edgeR进行差异表达基因分析（阈值|log₂FC|≥1或5）；5）通过k-means聚类识别表达模式。样本来源于卡塔尔大学藻类技术项目培养的菌株。

Synechococcus elongatus生长 assay

生长曲线显示，铁处理组与对照组生长趋势一致，而PW组在7天后出现下降且藻体褪绿，25% PW组因细菌污染导致OD值异常升高。

视觉观察进一步证实高浓度PW导致色素损失。

Gene expression in S. elongatus under heavy metal and produced water stress

转录组分析发现，PW和HM处理在16小时引起最显著基因表达变化：PW组83基因上调和20下调，HM组28基因上调和323下调。

热图显示HM处理下整体转录本丰度降低。

Downstream analysis reveals stress-specific and shared gene clusters

聚类分析识别出HM和PW特异的表达模式：HM中簇6和10(Log₂FC≥1)及簇1(Log₂FC≥5)上调，PW中簇1和8(Log₂FC≥1)及簇2/3/6(Log₂FC≥5)上调。共有19个基因在两种胁迫中共同上调（如DUF2237家族蛋白、小多重耐药输出蛋白），42个基因共同下调（如生物钟蛋白KaiB、Na⁺/H⁺逆向转运蛋白亚基E）。谷氧还蛋白grxC在两种条件下持续上调。

研究表明S. elongatus通过调控ABC转运蛋白（如硝酸盐透酶）和氧化应激相关基因（grxC）响应污染物胁迫。这些基因可作为CRISPR-Cas9或CRISPRi/a技术的靶点，用于构建高效生物修复工程藻株。尽管S. elongatus直接处理PW效果有限，但其基因组可塑性为揭示抗逆机制提供了理想模型。该研究为开发可持续废水处理技术提供了分子基础，未来需在基因功能验证和微生物互作方面深入探索。