β-1,3-葡聚糖让微藻“抱团行动”

β-1,3-葡聚糖是一种多功能分子，在水生生态系统中能储存大气中的二氧化碳，在人类健康领域有助于对抗病原体并具有抗癌特性。此前，人们认为它在藻类中仅承担糖储存作用。本研究以莱茵衣藻为对象，发现β-1,3-葡聚糖能控制聚集——这是一种应对压力的集体行为。研究团队鉴定出了在聚集过程中专门参与β-1,3-葡聚糖合成和降解的酶。β-1,3-葡聚糖诱导聚集的转录组分析显示，这种诱导物具有早期效应。通过比较基因组分析，研究人员推测β-1,3-葡聚糖可能在团藻目生物向多细胞性转变中发挥作用。

研究首先发现，β-1,3-葡聚糖酶（BGL）是聚集的负调控因子。莱茵衣藻的bgl1和bgl2突变体在标准培养条件下会自发形成肉眼可见的聚集物，这与聚集的saz突变体中BGL蛋白表达下调的现象一致。进一步实验表明，β-1,3-葡聚糖是聚集的特异性诱导物。向野生型莱茵衣藻培养基中添加 laminarin（一种β-1,3-葡聚糖），会诱导其形成聚集物，且聚集程度与浓度成正比，且不会导致细胞死亡，而其他来源的β-1,3-葡聚糖（如细菌的curdlan、酵母的zymosan）则无法有效诱导聚集。

关于β-1,3-葡聚糖的合成，研究发现β-1,3-葡聚糖合酶（BGS）是聚集发生所必需的。通过同源比对，筛选出三个BGS同源基因（BGS1、BGS2、BGS3），其中BGS1突变体在各种应激处理下完全不能聚集，而BGS2和BGS3突变体仍能部分聚集，表明BGS1是聚集形成的关键酶。利用苯胺蓝染色检测发现，在bgl突变体的聚集物中，β-1,3-葡聚糖主要存在于细胞壁及细胞间连接处；热休克处理野生型莱茵衣藻后，早期（4小时）在鞭毛基部可检测到β-1,3-葡聚糖，聚集形成后（48小时）则分布于细胞壁和细胞间。

转录组分析揭示了β-1,3-葡聚糖诱导聚集的早期细胞反应。处理2小时后，54个基因表达上调，75个基因下调，其中上调基因多与铁摄取、DNA修饰相关，下调基因主要涉及二氧化碳浓缩机制（CCM）；8小时后差异表达基因减少，且CCM相关基因不再下调。此外，β-1,3-葡聚糖处理会诱导单线态氧（1O2）产生，且聚集在黑暗条件下受到抑制，表明光和1O2信号参与聚集反应。

比较基因组分析显示，β-1,3-葡聚糖代谢相关蛋白在生物界分布不连续。BGL蛋白在团藻目中普遍存在，在其他绿藻及部分海洋藻类中较少见，而在植物中未检测到；BGS蛋白分布更广，但部分亚家族在莱茵衣藻中发生了近期进化。团藻目中具有聚集或群体生活方式的物种（如莱茵衣藻、盘藻、四集藻、团藻）均含有所有三类BGL，暗示这些酶可能与团藻目细胞聚集的进化相关。

本研究首次发现β-1,3-葡聚糖在藻类中除碳储存外的新功能，为理解其在植物、动物及全球生态系统中的作用开辟了新方向，也为利用莱茵衣藻生产生物燃料等提供了潜在应用思路（如通过诱导聚集简化收获过程）。