海洋所利用基因編輯技術(shù)解析海洋浮游植物應(yīng)對(duì)海洋暖化和熱浪的過程與機(jī)制
近日,國際期刊ISME Journal刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋研究所藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于海洋浮游植物應(yīng)對(duì)海洋暖化和熱浪過程與機(jī)制的最新研究成果。這是該團(tuán)隊(duì)在Plant Physiology、the Plant Journal 發(fā)表海洋硅藻適應(yīng)特殊環(huán)境機(jī)制的研究論文后,在海洋硅藻應(yīng)對(duì)海洋暖化研究方面取得的又一重要進(jìn)展。
隨著氣候變暖和熱浪頻發(fā),全球海洋溫度不斷上升,海洋暖化對(duì)全球氣候和生態(tài)系統(tǒng)有著廣泛而深遠(yuǎn)的影響。海洋硅藻是海洋浮游植物的優(yōu)勢(shì)種,貢獻(xiàn)了全球初級(jí)生產(chǎn)力的20%以及海洋初級(jí)生產(chǎn)力的40%,在食物鏈和生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起著不可或缺的作用。海洋暖化嚴(yán)重影響海洋硅藻的生產(chǎn)力及物種組成,進(jìn)而改變食物鏈和生物地球化學(xué)循環(huán)過程,最終威脅整個(gè)人類。海洋浮游植物尤其海洋硅藻是如何應(yīng)對(duì)海洋暖化的?國際上尚未有相關(guān)分子機(jī)制報(bào)道。
本研究基于大數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)藍(lán)光受體蛋白(PtCPF1)在全球海洋浮游植物中廣泛存在,其表達(dá)量隨溫度的升高顯著上調(diào)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在室內(nèi)驗(yàn)證了大數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著溫度處理時(shí)間(包括短期處理和長期處理)的延長,海洋硅藻三角褐指藻PtCPF1的表達(dá)量顯著上調(diào)(圖1),結(jié)果暗示PtCPF1在海洋硅藻應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境過程中起重要作用。
為了揭示PtCPF1的作用機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)首先在海洋硅藻三角褐指藻中建立了基于CRISPR/Cas9的基因編輯技術(shù)平臺(tái)。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù),構(gòu)建了三角褐指藻PtCPF1基因的系列敲除(Knock out)突變株。研究發(fā)現(xiàn),將PtCPF1基因敲除后,在20℃下突變株生長緩慢,尤其是在高溫(26℃)下突變株的生長速度和光合活性顯著下降,細(xì)胞分裂停滯(圖2)。以上結(jié)果進(jìn)一步表明,PtCPF1在三角褐指藻應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境過程中起重要作用。
為進(jìn)一步解析PtCPF1的作用機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了三角褐指藻突變?cè)逯甑幕蚧匮a(bǔ)(Rescue)技術(shù)體系。利用此技術(shù)體系,該研究團(tuán)隊(duì)將野生型的PtCPF1完整基因元件回補(bǔ)至突變株(KO2)中,回補(bǔ)藻株(PtCPF1 KO2 R1,R2和R3)PtCPF1的表達(dá)以及在高溫下的生理特征恢復(fù)到野生型狀態(tài)(圖3)。以上結(jié)果充分證明PtCPF1在三角褐指藻應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境過程中起重要調(diào)控作用。
通過多組學(xué)分析,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)PtCPF1基因的敲除顯著降低了氮的吸收利用和氧化還原系統(tǒng)的活性,尤其是完全抑制了高溫下鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體(ISIP2A和ISIP1)和磷轉(zhuǎn)運(yùn)體(Na+/P cotransporter1和2)的表達(dá)(圖4)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過His標(biāo)簽藻株的構(gòu)建、pull down以及鐵和磷含量的測定等實(shí)驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)PtCPF1通過與轉(zhuǎn)錄因子(BolA和TFIIA)相互作用(圖5),靶向調(diào)控編碼鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體和磷轉(zhuǎn)運(yùn)體基因的表達(dá)。由于鐵是氮代謝和細(xì)胞氧化還原系統(tǒng)的關(guān)鍵輔因子,而磷是遺傳物質(zhì)和細(xì)胞膜的重要組成部分,二者的吸收被抑制將直接導(dǎo)致細(xì)胞無法分裂以及抗逆能力的減弱(圖6)。
以上研究結(jié)果充分證明了PtCPF1作為關(guān)鍵作用因子,通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò),調(diào)控鐵和磷轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá),進(jìn)而影響相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用,海洋浮游植物通過該方式來應(yīng)對(duì)非生物逆境因子尤其是高溫環(huán)境的影響。這一研究成果不僅有助于我們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)海洋浮游植物應(yīng)對(duì)海洋暖化的過程和分子機(jī)制,還為海洋經(jīng)濟(jì)硅藻的耐高溫藻株的培育提供新的分子靶標(biāo)。

圖1. PtCPF1的表達(dá)對(duì)高溫環(huán)境的響應(yīng)

圖2. 三角褐指藻PtCPF1基因的敲除藻株的構(gòu)建及表型特征

圖3. 三角褐指藻PtCPF1基因回補(bǔ)藻株的構(gòu)建及表型特征

圖4. 三角褐指藻PtCPF1基因敲除藻株的轉(zhuǎn)錄組分析

圖5. 三角褐指藻PtCPF1互作蛋白的鑒定
圖6. PtCPF1調(diào)控三角褐指藻應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境的模式圖
研究論文的第一作者為高山副研究員,通訊作者為王廣策研究員。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目的支持。
研究論文:
Shan Gao, Wenting Yang, Xin Li, Lu Zhou, Xuehua Liu, Songcui Wu, Lijun Wang, Guangce Wang*. Cryptochrome PtCPF1 regulates high temperature acclimation of marine diatoms through coordination of iron and phosphorus uptake. ISME Journal, 2024,https://doi.org/10.1093/ismejo/wrad019
附件下載:
魯公網(wǎng)安備37020202001323號(hào) | 古鎮(zhèn)口園區(qū)地址:青島市西海岸新區(qū)海軍路88號(hào) 南海路園區(qū)地址:青島市市南區(qū)南海路7號(hào) 科考船碼頭基地:青島市西海岸新區(qū)長江東路8號(hào) |
郵編:266000 郵件:iocas@qdio.ac.cn 電話:0532-82898611 傳真:0532-82898612 |
