本文属于类型a，即一项原创研究报告。以下是对该研究的学术报告。

本研究由香港科技大学海洋科学系的陈嘉伟（jiawei chen）、邓丽霞（lixia deng）、庞梦文（mengwen pang）等学者合作完成，通讯作者为刘红斌（hongbin liu）教授。研究于2024年1月14日投稿，同年5月21日修订，6月18日被接收，并于2024年6月19日在线发表于《ISME Communications》杂志，文章编号为ycae087。

本研究的学术背景聚焦于海洋浮游生物生态学领域，特别是混合营养型浮游生物（mixoplankton）在海洋食物网和生物地球化学循环中的作用。混合营养型甲藻（mixotrophic dinoflagellate）能够同时进行光合自养和吞噬异养，这种双重营养策略使其在海洋生态系统中具有高度的适应性和竞争力。然而，关于混合营养型生物在分子层面如何调控光合作用和吞噬作用之间的转换，以及全球变暖背景下温度升高如何影响这一转换，仍然存在重大的知识空白。已有假说（wilken等人在2013年提出）认为，随着温度升高，混合营养型生物会变得更偏向异养，因为异养代谢的温度敏感性高于自养代谢。但这一假说建立在营养充足的理论基础之上，而自然海洋中营养常常受限，因此该假说在真实海洋环境中是否成立仍存争议。本研究的目的正是通过结合实验室转录组分析和全球海洋宏转录组数据，揭示混合营养型甲藻Lepidodinium sp.营养策略转换的分子机制，并检验温度升高是否促进其在自然海洋中向吞噬营养型转变。

研究的详细工作流程可分为三个主要环节。第一环节是实验室培养和生理参数测定。研究对象为2014年4月从香港沿海水域分离的混合营养型甲藻Lepidodinium sp.，其猎物为隐藻Rhodomonas salina。培养条件为25°C、光照强度100 μmol photons m⁻² s⁻¹、光暗周期12:12小时。实验设置两种处理：饥饿条件（不添加猎物，代表更偏向光合自养策略）和饱食条件（每12小时添加隐藻猎物至饱和密度约2000 cell ml⁻¹，代表更偏向吞噬策略）。每个处理设置八个2升培养瓶用于RNA提取，以及十二个75 cm²培养瓶用于生理参数测量。通过显微镜观察细胞中的质体（plastid）和食物泡（food vacuole），使用Phyto-PAM-II荧光仪测定光系统II的有效量子产量（YII）和电子传递速率（ETR），使用24通道氧传感器测定呼吸速率。第二环节是转录组测序与组装。将饱食培养物饥饿两天以确保猎物被完全消耗后，收集两份RNA样本进行poly(A) RNA测序，用于构建Lepidodinium sp.的纯转录组组装。同时，对饥饿和饱食各三份RNA样本进行宏转录组测序，即去除核糖体RNA后对所有RNA进行测序，以捕获培养体系中所有真核生物的转录本。测序使用Illumina NovaSeq 6000平台，产生150 bp双端reads。原始reads使用Trimmomatic v0.39修剪，随后使用Trinity v2.14.0进行从头共组装，得到110879个基因，BUSCO完整度为98.8%。转录本与KEGG、TransportDB、UniProt、Pfam A和COG数据库进行比对注释。第三环节是全球海洋宏转录组数据分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA）。从Tara Oceans考察项目下载真核生物宏转录组测序数据（项目号PRJEB402），将测序reads比对到Lepidodinium sp.转录组组装上，筛选出比对reads数超过10万、采样深度为5米、原位温度介于15°C至31°C之间的样本。根据叶绿素a（chl-a）浓度将样本分为四组：0–0.1、0.1–0.2、0.2–0.3和>0.3 mg m⁻³。对每个chl-a浓度组内的样本分别进行WGCNA分析，以识别与温度显著相关的基因模块，并对这些模块进行KEGG富集分析。此外，研究还利用了NASA Aqua卫星搭载的MODIS传感器在2003年至2021年间观测的全球海表叶绿素浓度数据，计算高叶绿素浓度区域占全球海洋表面的比例。

研究结果首先揭示了饱食条件下Lepidodinium sp.的生理和分子变化。显微镜观察显示，饱食细胞中均可清晰观察到食物泡，而饥饿和饱食细胞中均有质体。饱食培养物的生长速率和呼吸速率显著高于饥饿培养物，但YII和ETR在两种条件下无显著差异。转录组差异表达分析共检测到1318个差异表达基因（DEGs），其中1312个在饱食条件下上调，仅6个下调。在光合作用和细胞呼吸相关基因中，没有发现光反应或卡尔文循环基因发生差异表达，仅有一个C4途径基因（got2）上调。而在18个与细胞呼吸相关的DEGs中，有15个属于氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）通路，这与饱食条件下呼吸速率显著升高一致。KEGG富集分析表明，DEGs显著富集在37条通路中，通过k-means和层次聚类可归纳为三大类：氧化磷酸化、粘着斑（focal adhesion）和肌动蛋白细胞骨架调节（regulation of actin cytoskeleton，包括内吞作用）。在粘着斑通路中，参与肌动蛋白细胞骨架构建的桩蛋白（paxillin）、踝蛋白（talin）、辅肌动蛋白（actinin）、细丝蛋白（filamin）、肌球蛋白（myosin）和肌动蛋白相关蛋白2/3复合物（ARP2/3）等基因在饱食条件下显著上调。内吞作用通路中，参与吞噬体形成的ARP2/3、WASH复合物亚基（CCDC53）、肌动蛋白加帽蛋白（CAPZA1）和Ras相关蛋白Rab-5c（RAB5C）上调；参与吞噬溶酶体成熟的Rab-7a（RAB7A）和带电多泡体蛋白4A/B（CHMP4）上调；溶酶体质子泵V型H⁺-ATPase亚基（ATPEV0B和ATPEV1D）以及动力蛋白（DYNC1H）也上调。这些分子证据表明，饱食条件下Lepidodinium sp.显著激活了吞噬相关通路。基于这些结果，研究提出吞噬作用基因（phagocytosis genes）的表达谱可作为指示自然混合浮游生物群落中吞噬活性的分子标志物。

第二个主要结果是全球海洋中温度与营养策略转换的关系。WGCNA结果显示，当chl-a浓度低于0.2 mg m⁻³时，没有基因模块与温度显著相关。当chl-a浓度在0.2–0.3 mg m⁻³之间时，两个基因模块（green和turquoise）与温度呈显著正相关；其中turquoise模块（1834个基因）显著富集了光合作用通路（26个基因），但没有吞噬相关通路富集。当chl-a浓度大于0.3 mg m⁻³时，三个基因模块（dark red、brown和pink）与温度呈显著正相关；其中brown模块（244个基因）显著富集了粘着斑（7个基因）、肌动蛋白细胞骨架调节（16个基因）和内吞作用（13个基因）等吞噬相关通路，而dark red模块仅富集了3个光合作用基因。进一步的基因表达谱分析显示，在chl-a浓度为0.2–0.3 mg m⁻³的条件下，12个光合作用基因的表达随温度升高而显著正相关，但没有任何吞噬作用基因表现出这种模式，表明Lepidodinium sp.在该条件下更依赖光合自养。相反，在chl-a浓度大于0.3 mg m⁻³的条件下，只有1个光合作用基因与温度正相关，而16个吞噬作用基因的表达随温度升高而显著正相关，表明Lepidodinium sp.在该条件下变得更偏向吞噬异养。这一结果与wilken假设一致，但前提是猎物丰度和营养浓度足够高。

研究的结论指出，温度对混合营养型甲藻营养策略转换的影响依赖于环境中的叶绿素浓度，而叶绿素浓度可反映猎物丰度和营养盐水平。在chl-a浓度大于0.3 mg m⁻³的区域，温度升高促进向吞噬营养型转变；在chl-a浓度为0.2–0.3 mg m⁻³的区域，温度升高反而促进向光合自养型转变。NASA卫星18年观测数据显示，全球海洋表面平均有20.58%的区域chl-a浓度大于0.3 mg m⁻³，而11.47%的区域chl-a浓度在0.2–0.3 mg m⁻³之间。由于前者的面积几乎是后者的两倍，全球变暖可能在整体上促进混合营养型甲藻向更偏向吞噬营养型转变，从而增加其二氧化碳排放。

本研究的亮点在于：第一，首次通过转录组学方法系统揭示了混合营养型甲藻在吞噬激活过程中上调的关键分子通路，包括粘着斑、肌动蛋白细胞骨架调节和氧化磷酸化；第二，提出了利用吞噬作用基因表达谱作为自然海洋中混合浮游生物吞噬活性的分子标志物，这一方法具有广泛的应用潜力；第三，利用全球尺度的Tara Oceans宏转录组数据结合卫星遥感叶绿素观测，在自然环境中检验了温度对营养策略转换的影响，并发现了叶绿素浓度的阈值效应，为理解和预测全球变暖对海洋浮游生态系统的影响提供了新的视角和证据。