海洋所利用基因編輯技術解析了藻類細胞對種群密度信號的感知與調控的分子機制
近日,國際期刊The ISME Journal刊發(fā)了中國科學院海洋研究所藻類生理過程與精準分子育種團隊利用精準基因編輯技術在海洋硅藻信號感知和傳導領域的研究成果。研究揭示了海洋硅藻SLC24A在種群密度信號感知和調控中發(fā)揮重要作用。這一發(fā)現為工業(yè)生產中實現微藻的高密度培養(yǎng)提供了新思路,也為硅藻藻華暴發(fā)時種群動態(tài)變化及藻華命運決定機制提供了新見解。
硅藻藻華暴發(fā)的規(guī)模和時空范圍除了受營養(yǎng)物質、微量元素、溫度、病毒等周邊因素的影響外,生物量急劇增長導致的細胞密度波動也可作為一種內部的信號,影響藻細胞的生理過程及藻華生消進程。此外,微藻密度感知和傳導機理之于微藻產業(yè)化的技術迭代至關重要,為微藻超高密度培養(yǎng)提供理論依據。我們前期研究已發(fā)現海洋硅藻可以利用葉綠素熒光信號實現對高密度的感知(Liu et al,2021,BMC biology)。微藻中關于光信號和化學信號的研究較為滯后,特別是分子機制,仍不清晰。
在本研究中,通過鑒定與密度信號相關的潛在基因,利用基因編輯技術敲除了其中的8個基因后鎖定了關鍵基因PtSLC24A。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術敲除了P. tricornutum中的PtSLC24A得到了兩株PtSLC24A敲除突變體。胞內Ca2+濃度測定結果表明細胞密度能夠誘導Ca2+響應,且PtSLC24A的敲除增加了胞內Ca2+濃度。我們對PtSLC24A蛋白進行了三維結構建模模擬計算的結果支持了PtSLC24A的Ca2+傳輸功能。此外,研究結果表明高密度能夠誘導細胞凋亡,而PtSLC24A的敲除加劇了這一現象。PtSLC24A在不同細胞密度下也對密度依賴性基因的表達產生了影響。

圖1 研究設計、轉錄組測序、PtSLC24A分子動力學模擬及鈣離子測定
本研究進一步將微觀實驗室尺度上的細胞過程與大洋規(guī)模的群體響應聯系起來。發(fā)現SLC24A同源基因在144個Tara oceans站點中均有分布,SLC24A同源基因的表達與4個主要類群的葉綠素含量之間呈正相關。以上結果表明,在自然海洋環(huán)境中,SLC24A介導的Ca2+信號在密度信號的胞內傳遞過程中發(fā)揮著關鍵作用。

圖2 PtSLC24A敲除對細胞凋亡的影響及其在Tara Oceans中的分布、系統(tǒng)發(fā)育分析和對密度變化的響應
本研究基于分子遺傳學、細胞生理學、計算結構生物學和原位海洋數據,提出了一種Ca2+介導的海洋硅藻細胞密度信號的胞內信號傳導機制:當細胞接收到攜帶種群密度信號的化學信息物質之后,結合在細胞膜上的PtSLC24A通過加速胞內Ca2+的外流,以維持特定的細胞內Ca2+水平,從而將密度信號在胞內傳遞下去,隨后調節(jié)包括細胞凋亡的生理過程,最終影響種群命運。

圖3 SLC24A介導的種群密度感知和調控機制模式圖
論文的第一作者為劉雪華博士,通訊作者為顧文輝副研究員和王廣策研究員。本研究得到了國家自然科學基金、山東省重點研發(fā)計劃、國家藻類產業(yè)技術體系等項目的支持。
Xuehua Liu,Zhicheng Zuo,Xiujun Xie,Shan Gao,Songcui Wu,Wenhui Gu,Guangce Wang,SLC24A-mediated calcium exchange as an indispensable component of the diatom cell density-driven signaling pathway,?The ISME Journal,2024;,wrae039,?https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae039
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