海院科研动态（172）｜ 污染物改变原生生物核糖体RNA基因分子特征及其应用启示
研究背景
水产养殖带来的复合低剂量污染，是我国淡水及近海养殖环境中长期存在的问题。纤毛虫等原生生物是单细胞真核生物，也是水生态食物链的基础环节。这类原生生物可摄食细菌与微藻、为小型水生动物供给饵料，同时推动水体营养盐再生，是水生态系统的重要基础类群，也是对环境污染最为敏感的指示生物。核糖体RNA（rRNA）基因是全球海洋、淡水原生生物多样性调查最核心分子标记，学界长期认为，rDNA拷贝数和序列组成相对稳定，基本不受环境干扰。但水产养殖持续排放抗生素、重金属，可能形成大面积亚致死污染，长期胁迫浮游纤毛虫等原生生物的生理与生态。
此前研究主要关注污染物对纤毛虫等原生生物生长、细胞形态及功能基因表达的影响。抗生素和重金属是否会改变单个细胞的rRNA基因拷贝量、转录水平及基因组内序列变异这一关键科学问题尚无系统答案，可能导致环境高通量测序（metabarcoding）结果解读出现较大偏差，制约近海污染监测与微型生物群落评价精准度。团队选取两种典型纤毛虫（海洋游仆虫、绿草履虫）开展对照实验，利用单细胞qPCR、高通量扩增子测序技术，从单细胞水平解析污染物对核糖体分子特征的调控规律，并结合野外生物膜公共数据集完成野外验证。
研究结果
污染物显著改变纤毛虫rDNA、rRNA拷贝数与细胞形态：土霉素与铜离子均抑制纤毛虫种群生长、显著增大细胞体积；单细胞rDNA、rRNA总拷贝数随污染物浓度升高整体上升。土霉素会特异性地拉高rRNA/rDNA拷贝数的比值，优先刺激核糖体基因转录；铜离子同步提升基因拷贝与转录本丰度，无明显转录偏好；污染解除恢复培养1个月后，纤毛虫生长速率、细胞大小、rRNA丰度仍无法完全恢复至对照组水平，表明亚致死污染存在长期遗留生理损伤效应（图1）。
图1 土霉素（OTC）与氯化铜对纤毛虫原生生物rRNA基因、rRNA拷贝数、胞内浓度、rRNA:rDNA拷贝数比值的影响
污染胁迫重塑细胞体积与核糖体丰度之间的异速生长关系：本团队之前的研究已证实正常环境下纤毛虫细胞体积与rDNA、rRNA拷贝数存在稳定幂律异速缩放关系；本研究则发现污染物会增加该关系的数据离散程度，但未显著改变缩放斜率，说明胁迫仅改变核糖体总量，并未打破细胞体积与核糖体的稳态规律。
抗生素、重金属诱导基因组内rRNA 序列多态性激增：亚致死胁迫大幅提升了单个纤毛虫细胞中扩增子序列变体（ASV）丰富度，且rRNA 转录本的序列变异远高于基因组rDNA；污染解除后ASV丰富度仍持续偏高，表明氧化诱变造成的序列变异可稳定遗传（图2）。两种污染物对基因序列中GC碱基组成调控模式完全相反：土霉素降低rDNA的GC含量，铜离子则显著提升GC含量，揭示二者可能存在差异化毒性通路，并非仅通过活性氧（ROS）氧化损伤发挥作用。
图2 土霉素（OTC）与氯化铜对纤毛虫原生生物rRNA基因与rRNA转录本序列单核苷酸多态及ASV:OTU数目比值的影响
野外生物膜数据分析表明铜污染广泛提升多类原生生物的rDNA序列多样性：团队重新解析已发表海洋生物膜18S rDNA高通量测序数据，证实铜胁迫下硅藻、纤毛虫、绿藻、有孔虫等绝大多数原生生物类群，单个分类单元（OTU，以97%的序列相似性为界定阈值）对应的ASV数量随铜浓度上升而显著增加；而后生动物、真菌序列变异增幅微弱（图3）。该结果表明污染物诱导核糖体RNA基因突变，可能是微型真核生物跨门类的通用响应特征，具备野外生态监测潜力。
图3 氯化铜对海洋生物膜中原生生物、后生动物及真菌群落水平ASV:OTU的影响
研究意义
1. 修正分子生态学基础认知。传统rDNA高通量测序会高估污染区微型生物真实物种多样性（ASV丰富度虚高）；而仅测序rRNA转录本会进一步放大序列变异。研究团队提出rDNA与rRNA双扩增子联合测序方案，区分真实物种与污染诱导人工变体，为全球原生生物多样性调查提供标准化校正策略。
2. 构建海洋污染评估的新型分子指标体系。首次提出“单个OTU内ASV的数量”或原生生物群落水平“平均每个OTU对应的ASV数目”（即ASV:OTU）可作为水体亚致死抗生素、重金属胁迫定量评价指标，无需复杂培养实验，仅依靠环境沉积物或水体高通量测序数据，即可快速评估养殖污染生态压力，服务粤港澳大湾区近海环境常态化监测。
3. 解析原生生物抗逆进化新路径。长期低浓度污染物持续诱导rDNA序列变异，可作为种群遗传变异储备，在反复污染环境下推动纤毛虫适应性进化；同时共生藻类（绿草履虫胞内小球藻）可清除活性氧，显著降低重金属诱变效应，为解释共生原生生物的抗毒机制提供了新思路。
本研究从单细胞分子层面打通室内毒理实验与野外群落观测的壁垒，既完善原生生物核糖体进化理论，也为湾区养殖尾水管控、海洋生态健康评价提供可落地的分子工具。
文章相关信息
我院龚骏教授团队联合浙江省淡水水产研究所等科研人员将上述研究成果以Sublethal oxytetracycline and copper exposure alters rRNA gene copy number, expression, and intragenomic polymorphism in ciliates为题，在线发表于国际微生物领域期刊Current Research in Microbial Sciences（JCR一区）。论文第一作者为邹松保助理研究员，我院邓惠文博士为共同作者，龚骏教授为唯一通讯作者。研究依托南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）、中山大学海洋科学学院等平台，获国家自然科学基金、浙江省自然科学基金项目资助。
Zou S., Fu R., Deng H., Yuan J., Gong J.* (2026) Sublethal oxytetracycline and copper exposure alters rRNA gene copy number, expression, and intragenomic polymorphism in ciliates. Current Research in Microbial Sciences 11: 100643.
