海洋所研究揭示CSN5調(diào)控海洋硅藻適應高溫的新機制
近日,中國科學院海洋研究所藻類生理過程與精準分子育種研究組在海洋硅藻適應高溫環(huán)境的分子機制研究方面取得重要進展。研究團隊利用基因編輯技術(shù),以海洋硅藻三角褐指藻為研究對象,通過敲除、回補和過表達,揭示了COP9信號復合體關(guān)鍵催化亞基CSN5通過調(diào)控蛋白降解與細胞穩(wěn)態(tài)維持,調(diào)節(jié)海洋硅藻適應高溫環(huán)境的分子機制。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學術(shù)期刊The Plant Journal上。
近年來,全球變暖持續(xù)加劇,海洋暖化及海洋熱浪等極端事件對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻影響。硅藻作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)力之一,對海洋生物地球化學循環(huán)具有重要貢獻。然而,海洋硅藻在高溫條件下如何維持細胞穩(wěn)態(tài),其分子基礎(chǔ)仍知之甚少。研究團隊首先基于TaraOcean 宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),CSN5同源基因廣泛分布于全球海洋浮游藻類中,且其轉(zhuǎn)錄豐度隨環(huán)境溫度升高而增加,表明CSN5可能參與海洋浮游藻類對升溫環(huán)境的適應過程。進一步研究顯示,CSN5在28℃高溫處理后被迅速誘導表達,表現(xiàn)出顯著的溫度響應特征。

圖1 三角褐指藻CSN5基因?qū)Σ煌瑴囟忍幚淼谋磉_響應
為解析CSN5的功能,研究團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)構(gòu)建了CSN5敲除突變株。結(jié)果顯示,在高溫條件下,CSN5敲除株表現(xiàn)出明顯的生長抑制和細胞形態(tài)異常;而利用野生型藻株的CSN5基因進行回補后,突變株在高溫下異常的生長和形態(tài)表型得到明顯恢復。另外,CSN5過表達株在高溫條件下表現(xiàn)出更快的生長速率和更高的生物量積累。這些結(jié)果表明,CSN5是維持三角褐指藻高溫適應能力的重要調(diào)控因子。

圖2 基因回補及過表達藻株的生理表型
定量蛋白質(zhì)組學分析表明,CSN5基因的敲除突變株在高溫條件下引發(fā)了顯著的蛋白表達重塑,差異蛋白主要定位于葉綠體、細胞質(zhì)和細胞核,并顯著富集于光反應、Calvin循環(huán)、糖酵解、膜轉(zhuǎn)運、核分裂和DNA修復等過程。多個光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ相關(guān)亞基以及部分捕光復合體蛋白在敲除株中明顯下調(diào),表明在高溫條件下CSN5對光合系統(tǒng)穩(wěn)定、能量代謝協(xié)調(diào)和細胞功能維持具有重要作用。研究還發(fā)現(xiàn),CSN5基因的缺失會干擾藻細胞的蛋白降解途徑并導致蛋白周轉(zhuǎn)失衡,從而破壞細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài);同時,突變株在高溫下出現(xiàn)細胞膨大和形態(tài)變異,表明CSN5通過影響細胞骨架相關(guān)過程,協(xié)同維持細胞形態(tài)與生理功能的完整性?;谏鲜鼋Y(jié)果,我們提出了CSN5介導海洋硅藻高溫適應的工作模型:CSN5通過調(diào)控蛋白周轉(zhuǎn)、光合作用、細胞分裂、膜轉(zhuǎn)運和形態(tài)穩(wěn)態(tài),提升三角褐指藻對高溫環(huán)境的適應能力。本研究從蛋白降解調(diào)控層面揭示了海洋硅藻適應高溫的新機制,拓展了對海洋浮游藻類響應高溫脅迫分子基礎(chǔ)的認識,也為耐高溫海洋硅藻藻株的定向培育提供了新的分子靶標。

圖3 CSN5介導的三角褐指藻高溫適應生理響應
論文第一作者為中國科學院海洋研究所博士研究生李鑫,通訊作者為王廣策研究員和高山研究員。本研究得到了國家自然科學基金、山東省重點研發(fā)計劃(重大科技創(chuàng)新工程)、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項目的資助。
論文信息:
Xin Li, Shan Gao*, Lu Zhou, Xiaoyue Zhang, Wenting Yang, Xuehua Liu, Songcui Wu, Xiujun Xie, Wenhui Gu, Guangce Wang* (2026) A CSN5-dependent protein degradation pathway underlies diatom resilience to high temperature. The Plant Journal 126: e70839
DOI: 10.1111/tpj.70839
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