硅藻是海洋生态系统中最重要的初级生产者之一，其硅质细胞壁（frustule）不仅是抵御机械损伤、捕食、病毒入侵和紫外辐射的第一道屏障，也是连接材料科学、细胞生物学、生态学和气候变化研究的重要交叉节点。然而，硅藻如何通过调整细胞壁硅化组分来适应环境胁迫，一直是未解之谜。这一问题的解答，不仅有助于理解硅藻在海洋生态系统中的生态成功，也可能为生物硅纳米技术、海洋碳封存和物种互作等研究提供新思路。

2026年10月7日，厦门大学生命科学学院梁君荣教授团队联合英国东英吉利大学Thomas Mock教授在 Research 期刊在线发表题为 “The Ratio of Silicon to Chitin in Diatom Cell Walls Influences Their Resilience to Environmental Stress” 的研究论文。该研究以模式硅藻 Thalassiosira pseudonana 为对象，发现休眠细胞（resting cells）通过提高细胞壁中硅/几丁质比例重塑硅质壳，增强对化学污染物和几丁质降解细菌的抗性。研究进一步锁定关键壳环带（girdle band）结构蛋白 cingulin W2（CinW2）和上游转录因子 AP2-1，首次揭示了硅藻细胞壁化学组成可塑性的分子调控机制。这是该团队继 2024 年 New Phytologist 和 2026 年 Plant Journal 后，在硅藻休眠细胞生存策略研究中的又一重要进展。

1. 休眠细胞细胞壁发生“高硅低几丁质”化学重塑

休眠是硅藻度过寒冷、黑暗和营养匮乏等不利条件的重要生存策略。与孢子或甲藻囊胞通过显著结构重塑增强抗性不同，硅藻休眠细胞形态与营养细胞相似，其细胞壁如何发挥保护作用尚不清楚。本研究发现，T. pseudonana 休眠细胞体积明显缩小；细胞壁单位表面积硅含量、硅醇基（Si–OH）基团和表面电位升高，孔体积、碳含量和几丁质含量降低。EDS 分析显示硅在壳环带区域富集。这些结果表明，休眠细胞通过提高硅/几丁质比例形成更致密、坚固的细胞壁，揭示了一种“形态相似、化学重塑”的保护策略，为理解硅藻休眠细胞的保护机制提供了全新视角。

2. 转录组与反向遗传学锁定关键蛋白 CinW2

为解析细胞壁重塑机制，研究团队重新分析休眠细胞转录组，发现壳环带蛋白 CinW2 基因 TpCinW2全局上调最显著，同时几丁质酶 TpChitinase 上调、几丁质合成酶 B TpChitin synthase B 下调，与几丁质减少一致。通过过表达（OE-CinW2）和 CRISPR-Cas9 敲除（KO-CinW2）证实：过表达使硅质壳硅含量升高、几丁质降低、硅/几丁质比例升高；敲除则相反。细胞大小未显著改变，表明表型源于细胞壁化学组成变化，而非尺寸效应。该结果首次将 cingulin 家族蛋白与硅藻细胞壁硅含量调控直接联系起来。

3. AP2-1 转录因子协调硅/几丁质代谢

研究团队通过启动子分析和转录组筛选，锁定 AP2/ERF 家族转录因子 TpAP2-1。酵母单杂交和双荧光素酶实验表明，AP2-1 直接结合 TpCinW2 和 TpChitinase 启动子并激活转录，但不结合 TpChitin synthase B 启动子。因此，AP2-1 通过同时激活 CinW2 和几丁质酶，协调“高硅低几丁质”细胞壁重塑。这是首次在硅藻中鉴定出调控细胞壁化学组成的转录因子，也首次揭示单个转录因子可同时协调硅沉积和几丁质降解两个功能不同的基因。

4. 增强多重胁迫抗性，且具生态保守性

在苯并[a]芘和广泛存在的几丁质降解细菌胁迫下，休眠细胞和 OE-CinW2 存活率更高，KO-CinW2 死亡率升高、壳环带破碎或畸变。纯几丁质酶处理证实，高硅低几丁质细胞壁可有效抵抗酶解攻击。结果表明，硅/几丁质比例升高是硅藻应对化学和生物胁迫的关键适应策略，且细胞壁化学组成本身，而非仅休眠生理状态，决定了抗逆能力。Tara Oceans 数据显示，AP2-1 和几丁质代谢相关基因广泛分布于多种硅藻，其表达与硅酸盐浓度相关。在其他两种海链藻中，硅充足时呈“高硅低几丁质”表型且抗逆性更强；硅缺乏时则相反。这些表明，通过调节硅/几丁质比例增强细胞壁防御，可能是硅藻应对环境变化的普遍策略。研究还提出一个生态反馈模型：硅充足时细胞壁高度硅化，防御强；硅限制时几丁质补偿，但易被几丁质酶攻击，加速水华衰退，释放硅酸，促进高硅休眠细胞“种子库”形成。

综上，该研究首次建立“AP2-1–CinW2/几丁质酶–硅/几丁质比例–环境抗性”调控轴，将硅藻细胞壁硅化组分可塑性与海洋生态适应相连接，为理解硅藻在变化海洋中的适应演化及硅基纳米材料设计和功能化修饰提供了新思路。

厦门大学生命科学学院博士生郝梦媛，硕士生尤润宇、蒋周屹和刘林葳为共同第一作者；厦门大学生命科学学院梁君荣教授与英国东英吉利大学Thomas Mock 教授为共同通讯作者；厦门大学生命科学学院已毕业博士生黄璐和广西民族大学申乃坤教授也对该研究做出重要贡献。本研究还得到了厦门大学生命科学学院田蕴教授团队的支持与帮助。该研究获国家自然科学基金（42076115、41576138）资助。

原文链接：https://doi.org/10.34133/research.1452

（图/文 梁君荣团队）