海洋所硅藻適應(yīng)深海底棲環(huán)境中天線蛋白功能研究取得進(jìn)展
近日,愛思唯爾出版集團(tuán)旗下國際期刊Algal Research刊登了海洋所藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種團(tuán)隊(duì)最新研究成果。該研究聚焦底棲的微弱紅光環(huán)境,通過構(gòu)建lhcf15基因的敲除和回補(bǔ)藻株,揭示了LHCF15蛋白在硅藻適應(yīng)長波長光環(huán)境中的潛在作用,為深入認(rèn)識硅藻靈活的光合作用調(diào)控機(jī)制和強(qiáng)大的適應(yīng)能力提供新見解。
硅藻廣泛分布于陸地和海洋環(huán)境,在全球碳循環(huán)過程中發(fā)揮重要作用。水下環(huán)境特別是底棲環(huán)境中,太陽光迅速衰減光譜不完整,硅藻如何適應(yīng)底棲環(huán)境、維持基本生命過程代謝是目前硅藻研究的一個(gè)重要科學(xué)問題。眾所周知,太陽光的紅光和紅外部分隨著海水深度的增加受到強(qiáng)烈的衰減,水下光場以藍(lán)綠光為主。然而有研究發(fā)現(xiàn),硅藻受紅光環(huán)境誘導(dǎo)后,熒光光譜會發(fā)生紅移,一種捕光天線蛋白——LHCF15大量積累。那么,熒光光譜的變化與LHCF15蛋白之間是否存在因果關(guān)系?紅光環(huán)境下積累LHCF15蛋白對高度適應(yīng)藍(lán)綠光環(huán)境的硅藻有什么生物學(xué)功能?
本研究從轉(zhuǎn)錄水平上表征了lhcf15基因的表達(dá)特征。結(jié)果表明,長期黑暗和紅光環(huán)境都能顯著誘導(dǎo)lhcf15基因的表達(dá)。隨后,研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)構(gòu)建了靶向lhcf15基因的敲除藻株。比較光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在白光和藍(lán)光環(huán)境下,敲除藻株的熒光光譜與野生型之間沒有顯著差異。然而,在紅光環(huán)境下,敲除藻株沒有表現(xiàn)出野生型的熒光光譜紅移現(xiàn)象,一旦敲除藻株實(shí)現(xiàn)回補(bǔ),回補(bǔ)藻株在紅光誘導(dǎo)下恢復(fù)了紅移現(xiàn)象。這些數(shù)據(jù)充分證實(shí)了LHCF15蛋白是引起熒光光譜紅移的關(guān)鍵。

野生型中lhcf15的相對表達(dá)量(A:相比于完全黑暗環(huán)境,不同紅光光強(qiáng)環(huán)境下lhcf15基因相對表達(dá)量;B:相比于正常白光環(huán)境,完全黑暗環(huán)境下lhcf15基因的相對表達(dá)量)

lhcf15敲除藻株與野生型在在對照白光(A)、紅光(B)和藍(lán)光(C)下的室溫?zé)晒夤庾V

紅光條件下不同藻株的熒光光譜
生長實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在白光和藍(lán)光環(huán)境下敲除藻株與野生型的生長沒有顯著差異,但是在紅光下(~630nm),敲除藻株的生長顯著慢于野生型,并且在敲除藻株中回補(bǔ)LHCF15蛋白后的生長又與WT無顯著差異。在更長波長光環(huán)境下(~682nm),敲除藻株的生長同樣表現(xiàn)出嚴(yán)重抑制。這些結(jié)果說明,LHCF15作為一種捕光天線蛋白對硅藻吸收和利用長波長紅光進(jìn)行光合固碳發(fā)揮重要作用。這種特殊的響應(yīng)機(jī)制對于硅藻適應(yīng)底棲環(huán)境、維持基本的代謝具有重要意義,為認(rèn)識底棲海洋環(huán)境中的特殊生命過程提供了新的認(rèn)知。

三角褐指藻野生型(WT)、lhcf15敲除藻株(KO)以及回補(bǔ)藻株(KO+f15)在對照白光(A)、紅光(B,D)和藍(lán)光(C)下的生長情況

野生型和lhcf15敲除藻株在682nm紅光下的生長情況
中國科學(xué)院海洋研究所為論文第一完成單位,博士研究生王樂普和副研究員解修俊為共同第一作者,海洋研究所研究員王廣策和澳大利亞悉尼大學(xué)教授陳敏為共同通訊作者。研究得到山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目研究基金等聯(lián)合資助。
論文信息
Wang, L., Xie, X., Gu, W., Zheng, Z., Chen, M., & Wang, G. (2023). LHCF15 facilitates the absorption of longer wavelength light and promotes growth of Phaeodactylum tricornutum under red light. Algal Research, 103249. https://doi.org/10.1016/j.algal.2023.103249
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