基于玛氏骨条藻转录组的代谢途径分析

光合作用可以将光能转化为分子形式的化学能,并储存于植物体内,之后再将能量传递给各级消费者,这一过程在全球生态系统中起到了至关重要的作用。海洋的初级生产力大约同陆地相当,其主要来源是藻类植物的光合作用。藻类的初级生产除了维持海洋中的食物网和生态系统的正常运转外,还在将CO2从水体表面向深海迁移过程中发挥了重要作用。硅藻是海洋初级生产的最大贡献者, 通过光合作用,这一类群每年大约可以固定1016 gCO2,相当于全球总固定量的20%。因此,研究硅藻的碳固定代谢途径对于了解其在海洋生态系统中的重要作用,深入理解碳的生物地球化循环具有重要意义。

硅藻艺术图像

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近期来自中国海洋大学海洋生命学院等处的研究人员以玛氏骨条藻(Skeletonema marinoi)转录组信息为基础,分析了其碳固定代谢途径,共发现18种酶对应的34个编码基因,构建了玛氏骨条藻进行碳固定代谢途径的通路图,阐明该藻在不同生长周期碳固定代谢途径对外界环境的分子响应。

这些编码基因的序列比对结果表明,其与假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)的同源基因具有较高的一致性。研究人员对这些样品进行数字基因表达谱的差异基因分析,获得了不同生长时期碳固定代谢途径酶编码基因的差异表达情况。

通过分析发现,C3和C4代谢途径中存在表达差异的基因分别有7和3个,其中果糖-1,6-二磷酸酶和丙酮酸磷酸双激酶的编码基因表达在指数生长期之后出现显著上调。这有助于对玛氏骨条藻碳固定代谢途径中关键编码基因调控过程的解析,为进一步研究硅藻的固碳机制奠定了基础,也为深入了解碳的生物地球化循环提供了新的研究方向。

研究人员通过对玛氏骨条藻转录组测序和分析,发现存在18个与碳固定代谢途径相关的酶及34个对应的编码基因。序列比对结果表明,这些编码基因与假微型海链藻有较高的序列一致性。基于KEGG注释结果,分析了玛氏骨条藻的碳固定代谢途径,发现玛氏骨条藻含有类似于陆地C4植物CO2浓缩机制所需的全部酶类,这是该类群在CO2浓度限制环境下仍然可以形成很高初级生产力的主要原因。

此外,他们还通过比较玛氏骨条藻不同生长时期的转录组以及KEGG差异分析的表达结果,发现在其碳固定代谢途径中一些关键酶的编码基因存在差异表达情况,其中C3途径中决定碳素最终分配去向的果糖二磷酸醛缩酶的编码基因在衰亡期有显著上调表达,而C4途径中的限速酶丙酮酸磷酸双激酶的编码基因在稳定期和衰亡期也表现为显著上调。这些编码基因的表达变化可以影响磷酸烯醇式丙酮酸、果糖-6-磷酸以及核酮糖二磷酸等产物的产量变化,这是玛氏骨条藻在种群数量变化过程中能量固定和产物分配的适应性表现,同时也是应对环境变化的分子响应。

这些能量固定和代谢途径方面的发现,为今后从蛋白质组、代谢组角度探索碳固定代谢途径提供了新的思路,也为深入了解藻类的碳固定代谢机制以及碳的生物地球化循环增添了新的认识。

 

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