海洋所在重要經(jīng)濟(jì)海藻紫菜表觀調(diào)控研究方面取得新進(jìn)展
近日,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)在大型經(jīng)濟(jì)海藻表觀遺傳學(xué)研究取得新進(jìn)展,解析了條斑紫菜組蛋白去乙?;c外源基因表達(dá)之間的負(fù)調(diào)控關(guān)系,為大型經(jīng)濟(jì)海藻遺傳改良提供了重要靶點(diǎn),審稿專家認(rèn)為“研究成果為利用大型紅藻作為合成生物學(xué)底盤細(xì)胞提供了可行路徑”。本成果近期在線發(fā)表于植物學(xué)期刊Plant Physiology(中國科學(xué)院1區(qū)Top期刊)。
紫菜(Pyropia)是重要大型經(jīng)濟(jì)海藻,營養(yǎng)豐富,味道鮮美,是中國、日本和韓國等國家主要的大型海藻養(yǎng)殖物種。同時(shí),紫菜在光合生物進(jìn)化過程中處于關(guān)鍵“節(jié)點(diǎn)”地位,是研究大型海藻基礎(chǔ)生物學(xué)的潛在模式物種。以紫菜為代表的大型海藻遺傳轉(zhuǎn)化體系不夠完善,外源基因表達(dá)困難,導(dǎo)致相關(guān)的遺傳改良及合成生物學(xué)進(jìn)展近乎停滯。紫菜基因組存在大量特殊結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)調(diào)控極其復(fù)雜且存在未知的修飾限制機(jī)制,解析其調(diào)控機(jī)制并實(shí)現(xiàn)外源基因高效表達(dá)是國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)全力攻克的難題。
研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)紫菜基因組特征,巧妙地設(shè)計(jì)了雙核酶切割的基因敲降系統(tǒng)。該系統(tǒng)將組蛋白去乙?;瘡?fù)合體的關(guān)鍵蛋白PySAP30作為靶點(diǎn),將篩選標(biāo)記與反義片段進(jìn)行富集表達(dá),顯著提高了篩選突變株的陽性率。該系統(tǒng)使用了紫菜強(qiáng)啟動(dòng)子——泛素啟動(dòng)子,驅(qū)動(dòng)GUS報(bào)告基因表達(dá),通過實(shí)時(shí)表征外源GUS活性在PySAP30表達(dá)波動(dòng)下的變化,證明了組蛋白去乙酰化對(duì)外源基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控作用(圖1),并提出了SAP30蛋白參與調(diào)控紫菜外源基因表達(dá)的理論模型(圖2)。

圖1 紫菜SAP30基因敲降顯著增強(qiáng)外源基因表達(dá)活性

圖2 紫菜SAP蛋白介導(dǎo)的組蛋白去乙?;{(diào)控外源基因表達(dá)模式圖
海洋所的紫菜研究歷史悠久。20世紀(jì)50年代初期,在英國藻類學(xué)家德魯(K. M. Drew)的研究基礎(chǔ)上,曾呈奎和張德瑞先生與日本藻類學(xué)家黑木宗尚(M. Kurogi)分別獨(dú)立完成了紫菜生活史研究,找到了紫菜“種子”來源。在曾呈奎先生的領(lǐng)導(dǎo)下,海洋所相繼突破了半人工采苗和全人工采苗關(guān)鍵技術(shù)“瓶頸”,為我國紫菜人工養(yǎng)殖提供了技術(shù)支撐。同期,張德瑞和鄭寶福等先生對(duì)壇紫菜的科學(xué)鑒定和命名,也為其成為我國主要養(yǎng)殖物種提供了理論依據(jù)。20世紀(jì)70年代,費(fèi)修綆先生系統(tǒng)開展的紫菜種苗工程研究取得重大成功。在前輩科學(xué)家研究成果的基礎(chǔ)上,藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種研究團(tuán)隊(duì)繼往開來,率先在國際上實(shí)現(xiàn)了紫菜基因編輯(Wang et al.,2024, New Phytologist),找到了負(fù)調(diào)控紫菜外源基因表達(dá)的關(guān)鍵靶點(diǎn)(2025)。
中國科學(xué)院海洋研究所博士后王紅與副研究員顧文輝為論文共同第一作者,解修俊副研究員和王廣策研究員為共同通訊作者。研究得到了山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文信息:
Hong Wang#, Wenhui Gu#, Xiujun Xie*, Guangce Wang*, Repressing epigenetic regulation enhances exogenous gene expression in the macroalga Pyropia yezoensis (Rhodophyta), Plant Physiology, 2025;, kiaf393.
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