近期，浙江大学傅维琦团队与国内外科学家合作在 Sustainable Horizons 发表综述文章，系统介绍了硅藻在全球生物地球化学循环中的重要作用，讨论了硅藻的分类及其在适应过程中响应各种环境压力而发生的形态变化，并指出了硅藻在海洋生物技术方面的潜力，为碳中和的实现提供了思路。
————
Highlights
·Recent advances in diatom morphology & adaptation are reviewed.
·The classification & identification of diatoms are summarized.
·Diatom morphological & metabolic shifts during adaptation are discussed.
·Future perspectives in diatom biotechnology are pointed out.
- 研究背景 -
硅藻是一种分布广泛的浮游植物，在生物地球化学循环中发挥着关键作用，贡献了约40%的海洋初级生产总量。硅藻具有独特的硅质细胞壁，由此在水产养殖、可再生燃料、生物技术等方面具有可持续性的应用潜力。
- 结果和讨论 -
1.硅藻细胞形态和多样性
硅藻可以生活在多种环境下，按照不同的分类标准，可将其分为不同的种类（Fig. 1）。
独特的硅质细胞壁使不同硅藻的硅藻壳具有不同形态。传统的硅藻分类是依据其形态和纹饰进行人为判断，其主观性强、准确率低。当前可使用光学显微镜拍摄的图像进行机器学习，以对硅藻的种类进行分类。该方法准确率可超过95%，但基于硅藻壳特征的分类却不一定能反映真实的进化关系。随着分子生物学的发展，利用硅藻的rRNA序列进行分析，可更好地判断硅藻实际的进化关系。
在不同条件下，硅藻可通过改变其生理和形态特征，响应温度、资源供应、光照、pH、盐度和放牧等外部因素的变化。在该过程中，硅藻会选择改变自身的尺寸大小、硅藻壳厚度、孔径大小和排列等。
2.硅藻适应性进化中的代谢变化
环境的变化会导致硅藻自身的代谢过程和化学成分发生变化，包括碳、氮和硅，从而影响碳、氮等主要元素的生物地球化学循环。铁供应会导致硅藻吸收的硅氮比发生变化；光照能影响硅藻内的色素含量；温度变化将导致含有的化学物质发生改变；海洋酸化则与其他因素结合，共同影响硅藻的生长速率与代谢反应，且在不同品类的硅藻中显示出不同的影响。
随着基因组学和系统生物学的发展，对硅藻的全基因组测序有助于研究硅藻代谢过程。然而，目前已进行全基因组测序的硅藻种类较少，限制了硅藻代谢研究的进一步发展。
3.硅藻的生物技术应用
硅藻具有独特的、由纳米二氧化硅组成的硅质细胞壁，其具有高生物相容性、高物理和化学抗性、高比表面积和热稳定性，因此在生物技术中得到了一定的应用（Fig. 2）。由于独特的性质，硅藻壳可用于生物传感器、药物载体及止血剂等。
- 总结和展望 -
硅藻在全球生物地球化学循环中发挥着关键作用。它们在食品、饲料、能源和制药等各种领域中被广泛应用，于生物技术应用中的价值也不容忽视。
随着基因工程技术的发展，硅藻的形态转变与适应性进化之间的联系及其潜在的分子机制逐渐明晰，而形态多样性和代谢机制也被揭露，这为硅藻成为未来的可持续细胞工厂提供了理论基础——尽管在当前，如何大规模生产硅藻仍是一个较大的技术挑战。
作者简介
傅维琦，浙江大学研究员、冰岛大学客座教授，获浙江大学生物化工博士学位，生物工程学士学位。他是冰岛科学院（一个于 1918 年在冰岛成立的著名科学学会）的成员，Frontiers in Marine Science的副主编，以及Frontiers in Bioengineering and Biotechnology等多个生物技术期刊的客座编辑。自 2019 年起，他受邀担任欧盟委员会专家，评估 Horizon 2020 计划。
他的研究兴趣在于了解藻类的光合作用和新陈代谢，以及开发能够将二氧化碳生物固定成精细化学品的光合细胞工厂。他通过实验室适应性进化和代谢工程探索了微生物进化和代谢的基本问题，并运用应用微生物学方面的专业知识进行光生物反应器设计、基因工程及过程优化，促使模式和非模式微藻（三角褐指藻、莱茵衣藻、小球藻、杜氏盐藻等）走向工业应用。
引用格式：
FWeiqi Fu., Yuexuan Shu., Zhiqian Yi., Yixi Su., Yiwen Pan., Fan Zhang., Sigurdur Brynjolfsson., Diatom morphology and adaptation: Current progress and potentials for sustainable development. Sustainable Horizons 2, 100015.
期刊官网（英文）：https://journals.elsevier.com/sustainable-horizons
期刊官网（中文）：https://www.sustainable-horizons.com/
Linkedin Page：Sustainable Horizons
投稿链接：https://www.editorialmanager.com/horiz/default1.aspx
版权声明：
本文由 Sustainable Horizons 负责发布，欢迎转发分享至朋友圈，如需转载，应声明出处。Sustainable Horizons 为英文开源学术期刊，以上中文标题、内容仅供参考，具体内容请以英文原文为准。投稿、合作、转载请发送邮件至sush_journal@sustech.edu.cn，我们将在第一时间回复您的信息。
