海洋所聯(lián)合海南大學(xué)揭示HSP70A提升海洋硅藻在高溫環(huán)境下光合活性機(jī)制
近日,國際期刊the Plant 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)隊聯(lián)合海南大學(xué)海洋學(xué)院關(guān)于HSP70A提升海洋硅藻高溫環(huán)境下光合活性機(jī)制的最新研究成果。這是該團(tuán)隊在the ISME Journal 發(fā)表海洋硅藻適應(yīng)特殊環(huán)境機(jī)制研究論文后,在海洋硅藻應(yīng)對海洋暖化研究方面取得的又一重要進(jìn)展。
近年來,隨著氣候變暖,全球海洋溫度不斷上升。海洋暖化尤其是海洋熱浪等極端環(huán)境影響了海洋生態(tài)系統(tǒng),嚴(yán)重威脅海洋浮游植物的生產(chǎn)力及物種組成,對全球海洋漁業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。因此,以海洋暖化為特征的全球氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)尤其是海洋浮游植物的影響已成為海洋科學(xué)領(lǐng)域的熱點前沿。光合作用是海洋浮游植物響應(yīng)逆境最敏感的生理過程,而熱休克蛋白HSPs是生物體在高溫和干旱等逆境下快速誘導(dǎo)產(chǎn)生的一類應(yīng)激蛋白,在調(diào)控細(xì)胞生理過程起重要作用。HSP70是HSPs家族中高度保守的蛋白,誘導(dǎo)型HSP70在正常條件下低水平表達(dá),在逆境條件下的表達(dá)量顯著增加。然而,目前光合生理過程和HSP70在海洋浮游植物尤其是海洋硅藻響應(yīng)高溫環(huán)境的偶聯(lián)機(jī)制尚不清晰。
該研究團(tuán)隊以三角褐指藻為研究對象,探究高溫環(huán)境下HSP70A和光合生理過程的偶聯(lián)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),野生型(WT)在26 ℃處理1h后,HSP70A在WT中的表達(dá)水平增加了28倍,隨著高溫處理時間的延長而下降。因此,研究團(tuán)隊構(gòu)建了三角褐指藻HSP70A的過表達(dá)藻株和干擾藻株。研究結(jié)果表明,在高溫(26℃)條件下HSP70A的過表達(dá)促進(jìn)三角褐指藻指數(shù)期的生長,而干擾藻株生長比WT慢(圖1)。

圖1 HSP70A在20℃和26℃下表達(dá)量和過表達(dá)和干擾HSP70A藻株在20 ℃和26 ℃下的生長
該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),不同突變藻株的表觀光合生理特征顯著不同。在高溫環(huán)境下,HSP70A的過表達(dá)顯著提升了藻株的熱耗散能力(NPQ),而HSP70A的下調(diào)明顯降低藻株的熱耗散能力(圖2),這一結(jié)果從正向和反向遺傳學(xué)兩個角度充分表明了HSP70A通過調(diào)節(jié)光合生理過程調(diào)控海洋硅藻對高溫環(huán)境的適應(yīng)。
該團(tuán)隊進(jìn)一步利用免疫共沉淀(Co-IP)和串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù),鑒定分析了與HSP70A互作的蛋白,并通過Western Blot進(jìn)行了驗證。Co-IP的實驗結(jié)果表明HSP70A與光系統(tǒng)II的反應(yīng)中心蛋白相互作用(表1),表明在高溫脅迫下過表達(dá)的HSP70A協(xié)助光系統(tǒng)II反應(yīng)中心蛋白的正確折疊,防止聚集,從而提高硅藻NPQ的能力。這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于深化我們對海洋硅藻適應(yīng)高溫環(huán)境的過程和機(jī)制的認(rèn)識,還可為經(jīng)濟(jì)硅藻的耐高溫藻株的培育提供新的靶點。

圖2? 在20℃和26℃下HSP70A突變藻株的光合活性和在20℃和26℃下,蛋白水平下HSP70A突變藻株中HSP70蛋白和D2蛋白的表達(dá)
表1 HSP70蛋白與光系統(tǒng)蛋白、ATP合酶相關(guān)亞基蛋白和蛋白質(zhì)延伸因子(EF-Tu)的相互作用

論文第一作者為博士研究生楊文婷和高山副研究員,通訊作者為王廣策研究員和劉志媛教授。該論文工作均在中國科學(xué)院海洋研究所完成,研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省重點研發(fā)計劃、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項目的支持。
相關(guān)研究成果:
Wenting Yang#,Shan Gao#,Mengjiao Bao,Xin Li,Zhiyuan Liu* and Guangce Wang*. HSP70A promotes the photosynthetic activity of marine diatom Phaeodactylum tricornutum under high temperature. The Plant Journal. https://doi.org /10.1111/tpj.16730.
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