项目文章Environ Sci Technol | 环境领域顶刊！广州大学转录+代谢联合揭示盐度调控青鳉鱼砷甜菜碱合成

砷（As）是环境中天然存在的毒性和致癌性最强的物质之一。研究表明，As可通过河流输入、大气沉降、含As氧化铁的解吸等途径进入海洋生态系统。海洋鱼类具备将剧毒砷酸盐（As(V)）转化为微毒砷甜菜碱（AsB）的能力，该能力可能与盐度调节有关，而其具体的调控机制仍不清晰。本文旨在利用“转录组+代谢组”研究：①盐度对青鳉鱼中AsB生物积累的影响；②阐明As(V)胁迫下盐度调节AsB生物合成机制。

将青鳉鱼在0、10、20、30‰盐度水中进行驯化，驯化完成后使其暴露于As(V)环境下30天，取鳃、肝脏、肠道、头部和肌肉样本。As(V)暴露组为实验组（T），正常环境为对照组（C）。最终获得0T、10T、20T、30T、0C、10C、20C、30C，共8个组别，每组3个生物学重复。

为研究盐度对As在青鳉鱼体内生物积累和转化的影响，取在0、10、20、30‰盐度环境且As(v) 暴露30天的青鳉鱼鳃、肝、肠、头和肌肉组织进行总砷含量和AsB浓度测量，发现高盐度（30‰）对总砷的积累具有关键作用。同时，除0‰外，在所有盐度下AsB在肌肉和头部组织中大量积累，且新积累的AsB浓度随着盐度的升高而增加。

为深入探索盐度可通过哪些生物途径的异常表达实现总As和AsB积累，对肌肉组织进行转录组测序。按照log2(fold change)＞1，p_value＜0.05为阈值筛选差异表达基因，并对其进行GO富集分析，发现在低盐环境下（20T-vs-20C、10T-vs-10C、0T-vs-0C），差异基因主要与细胞膜成分和细胞骨架蛋白有关。高盐浓度下（30T-vs-30C），主要与氧化还原酶活性有关。

不同盐度下As暴露（30T-vs-0T、30T-vs-10T、30T-vs-20T）诱导的差异基因主要与膜运输系统相关。由于膜运输系统在海洋生物对As的吸收中具有关键作用，可将As(V)转化为AsB。因此，综合得出：低盐环境下，青鳉鱼肌肉中积累的渗透物耗损，同时As(V)暴露诱导细胞结构损伤，阻碍细胞转运体吸收As(V)和合成AsB的能力。盐度升高对青鳉鱼的膜组分损害较小，对As(V)的跨膜运输影响有限，使得总砷和AsB的生物积累升高。

为揭示不同盐度条件下，As暴露对青鳉鱼肌肉中基因产物的调控过程，对肌肉组织进行非靶代谢组检测。根据VIP≥1且p＜0.05为阈值筛选差异表达代谢物并进行KEGG富集，发现低盐度As胁迫下，青鳉鱼的渗透胁迫和能量代谢发生紊乱。在高盐度下（30T-vs-30C），上述代谢途径未出现显著富集。由于氨基酸合成，能量代谢等途径与维持细胞内与环境的渗透平衡有关，结合先前观测结果，青鳉鱼肌肉中AsB浓度和比例随水盐度上升（0‰至30‰）而显著上升，为盐度对AsB生物合成的影响提供了直接证据，表明AsB的生物合成与盐度波动诱导的渗透调节有关。

为全面了解盐度如何影响AsB的生物合成？对差异代谢物种类和含量分析，发现与0T、10T、20T相比，部分氨基酸及其类似物、TCA循环相关代谢物在30T组中的含量更低。相关分析表明，AsB浓度与氨基酸及类似物之间呈负相关。暗示，随着水盐度的增加，细胞内渗透调节与环境的不平衡是驱动海洋鱼类合成AsB的关键因素。低盐度促使氨基酸积累维持渗透平衡，而高盐度（30‰）触发AsB合成维持渗透平衡。

结合转录组数据提示的“膜运输系统”会受到高盐度影响导致牛磺酸和甜菜碱水平下降以及相关研究中阐明的，该两种物质含量降低会直接影响氨基酸的合成，并且氨基酸合成对能量代谢和TCA循环具有关键作用。最终得出：青鳉鱼可在低盐度下合成氨基酸，高盐度下合成AsB来调节肌肉组织细胞的渗透调节以响应外界盐度变化，进而阐明了高盐度下青鳉鱼中总砷和AsB的积累机制。

在数据挖掘过程中，差异基因筛选时放宽了筛选阈值（log2(fold change)＞1，p_value＜0.05），为后续GO富集寻找到“细胞膜系统”奠定基础。组学数据关联时，更贴合生物功能去挖掘基因转录信息和基因表达产物间的关联，但又不同于常用的差异表达基因和差异代谢物KEGG共有通路，而是聚焦从GO富集中寻找与转录过程有关的“细胞膜系统”，以及从KEGG富集中筛选代谢过程影响的“细胞渗透调节”建立关联，实现逻辑的完美闭环，给老师点赞！

同时，本文采用“干湿结合”的方式，既有湿实验发现盐度变化确实可调节青鳉鱼体内总砷（As）和砷甜菜碱（AsB）的生物积累，又结合组学详细描绘盐度调节的具体机制，并引入多篇文献对组学结果进行充分论证，可谓是有理有据，层层论证。