海洋所利用基因編輯技術(shù)解析了藻類(lèi)細(xì)胞對(duì)種群密度信號(hào)的感知與調(diào)控的分子機(jī)制
近日,國(guó)際期刊The ISME Journal刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所藻類(lèi)生理過(guò)程與精準(zhǔn)分子育種團(tuán)隊(duì)利用精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)在海洋硅藻信號(hào)感知和傳導(dǎo)領(lǐng)域的研究成果。研究揭示了海洋硅藻SLC24A在種群密度信號(hào)感知和調(diào)控中發(fā)揮重要作用。這一發(fā)現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)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(shí)種群動(dòng)態(tài)變化及藻華命運(yùn)決定機(jī)制提供了新見(jiàn)解。
硅藻藻華暴發(fā)的規(guī)模和時(shí)空范圍除了受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、微量元素、溫度、病毒等周邊因素的影響外,生物量急劇增長(zhǎng)導(dǎo)致的細(xì)胞密度波動(dòng)也可作為一種內(nèi)部的信號(hào),影響藻細(xì)胞的生理過(guò)程及藻華生消進(jìn)程。此外,微藻密度感知和傳導(dǎo)機(jī)理之于微藻產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)迭代至關(guān)重要,為微藻超高密度培養(yǎng)提供理論依據(jù)。我們前期研究已發(fā)現(xiàn)海洋硅藻可以利用葉綠素?zé)晒庑盘?hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)高密度的感知(Liu et al,2021,BMC biology)。微藻中關(guān)于光信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的研究較為滯后,特別是分子機(jī)制,仍不清晰。
在本研究中,通過(guò)鑒定與密度信號(hào)相關(guān)的潛在基因,利用基因編輯技術(shù)敲除了其中的8個(gè)基因后鎖定了關(guān)鍵基因PtSLC24A。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)敲除了P. tricornutum中的PtSLC24A得到了兩株P(guān)tSLC24A敲除突變體。胞內(nèi)Ca2+濃度測(cè)定結(jié)果表明細(xì)胞密度能夠誘導(dǎo)Ca2+響應(yīng),且PtSLC24A的敲除增加了胞內(nèi)Ca2+濃度。我們對(duì)PtSLC24A蛋白進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)建模模擬計(jì)算的結(jié)果支持了PtSLC24A的Ca2+傳輸功能。此外,研究結(jié)果表明高密度能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,而PtSLC24A的敲除加劇了這一現(xiàn)象。PtSLC24A在不同細(xì)胞密度下也對(duì)密度依賴(lài)性基因的表達(dá)產(chǎn)生了影響。

圖1 研究設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、PtSLC24A分子動(dòng)力學(xué)模擬及鈣離子測(cè)定
本研究進(jìn)一步將微觀(guān)實(shí)驗(yàn)室尺度上的細(xì)胞過(guò)程與大洋規(guī)模的群體響應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。發(fā)現(xiàn)SLC24A同源基因在144個(gè)Tara oceans站點(diǎn)中均有分布,SLC24A同源基因的表達(dá)與4個(gè)主要類(lèi)群的葉綠素含量之間呈正相關(guān)。以上結(jié)果表明,在自然海洋環(huán)境中,SLC24A介導(dǎo)的Ca2+信號(hào)在密度信號(hào)的胞內(nèi)傳遞過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖2 PtSLC24A敲除對(duì)細(xì)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(duì)密度變化的響應(yīng)
本研究基于分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)和原位海洋數(shù)據(jù),提出了一種Ca2+介導(dǎo)的海洋硅藻細(xì)胞密度信號(hào)的胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制:當(dāng)細(xì)胞接收到攜帶種群密度信號(hào)的化學(xué)信息物質(zhì)之后,結(jié)合在細(xì)胞膜上的PtSLC24A通過(guò)加速胞內(nèi)Ca2+的外流,以維持特定的細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平,從而將密度信號(hào)在胞內(nèi)傳遞下去,隨后調(diào)節(jié)包括細(xì)胞凋亡的生理過(guò)程,最終影響種群命運(yùn)。

圖3 SLC24A介導(dǎo)的種群密度感知和調(diào)控機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家藻類(lèi)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)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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