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中国近海典型藻华种对环境中磷变化响应的转录组学研究认领

被引量： 2

作者：

张树峰

学位授予单位：

厦门大学

摘要：

磷(Phosphorus)是浮游植物生长所必需的营养元素。在海洋生态系统中，磷的含量、分布及可利用性对浮游植物生长、分布、群落结构等具有重要的调控作用，进而影响海洋初级生产力及碳、氮等元素的生物地球化学循环。研究发现，磷在全球诸多海域都是浮游植物生长的限制营养元素。近年来，围绕海洋浮游植物对低磷胁迫的响应机制和适应策略开展了大量的研究，然而这些研究主要集中在生理学层面，有关其分子机制仍知之甚少。　　本研究以中国近海三种典型藻华种中肋骨条藻（Skeletonema costatum）、东海原甲藻（Prorocentrum donghaiense）和链状亚历山大藻（Alexandrium catenella）为研究对象，运用RNA-Seq高通量测序技术，并结合生物信息学分析方法，比较研究了三种藻类在富磷、磷饥饿、无机磷添加和有机磷添加条件下的基因表达谱，鉴定、筛选到一批差异表达基因，分析了这些差异表达基因的功能及其参与的生物学过程，并结合生理学参数，探讨了三种典型藻华种对环境中磷变化响应的分子机制。取得的主要研究结果如下:　　(1)运用RNA-Seq高通量测序技术分别在不同磷培养条件下的中肋骨条藻、东海原甲藻和链状亚历山大藻转录组中鉴定到34，942，236，500和118，548个基因，其中20.8％，11.6％和17.5％的基因表达存在显著差异，这些差异表达基因主要参与RNA转运、mRNA监视通路（mRNA surveillance pathway）、内吞作用、甘油磷脂代谢和醚脂类代谢等细胞需磷或与生长密切相关的生物学过程。此外，还鉴定到许多与磷代谢、昼夜节律相关的基因，其中与昼夜节律相关的基因是首次在硅藻、甲藻东海原甲藻和链状亚历山大藻中鉴定到。　　(2)三种藻类中都鉴定到与多聚磷酸盐累积相关含SPX结构域蛋白的编码基因，表明三种藻类均具有胞内储磷功能。磷饥饿时，中肋骨条藻通过增加无机磷转运、改变胞内磷再分配、转向利用有机磷和不含磷脂类等多种策略扩展磷源利用途径和降低细胞对磷的需求;链状亚历山大藻则增强了无机磷转运和有机磷利用;而东海原甲藻的无机磷转运功能受到抑制，主要利用有机磷。添加无机磷和有机磷恢复后，中肋骨条藻中参与无机磷转运和有机磷利用的基因在加磷4h后即发生显著性变化，而两种甲藻即使在加磷28 h后仍无明显变化，表明中肋骨条藻对环境中磷变化的响应比东海原甲藻和链状亚历山大藻更快速。　　(3)尽管三种典型藻华种对无机磷Na2HPO4和有机磷G-6-P恢复的生理学响应没有显著性差异，但三种藻类在转录水平上的响应却存在较大差异。无论是无机磷添加组还是有机磷添加组，中肋骨条藻细胞内代谢过程的变化都主要集中在加磷恢复4h时，而东海原甲藻代谢过程的变化主要发生在有机磷添加4h时，链状亚历山大藻代谢过程的变化主要发生在无机磷添加4h时，这些响应过程主要与翻译、脂质代谢、能量代谢和碳水化合物代谢等过程相关。　　(4)中肋骨条藻、东海原甲藻和链状亚历山大藻细胞中均鉴定到参与细胞昼夜节律调控的基因，它们的表达受环境中磷的调控，表明环境中磷的变化可以调控细胞的昼夜节律。此外，环境中磷的变化还影响到细胞内一系列生物学过程:磷饥饿胁迫条件下，三种藻类中参与核酸代谢、糖酵解和细胞周期调控的基因表达显著上调，中肋骨条藻和东海原甲藻中参与光合作用的基因表达也上调，但链状亚历山大藻中参与光合作用的基因表达并无显著变化，而上述代谢过程均是具有昼夜变化规律的重要代谢过程。三种藻类都已进化出通过调整细胞自身昼夜节律和代谢过程响应环境磷变化的适应策略。

摘要译文

关键词：

海洋藻华种; 磷元素; 变化响应; 转录组学

学位年度：

2016

学位类型：

博士

学科专业：

环境科学

导师：

王大志

中图分类号：

X173[环境植物学]

学科分类号：

0713[生态学];083001[环境科学];083610[环境生物工程]