大氣二氧化碳濃度的變化在藻類植物的適應(yīng)和進(jìn)化中起著核心作用。中國(guó)海洋大學(xué)的王冬梅課題組采用新一代高通量測(cè)序技術(shù)構(gòu)建了高質(zhì)量的染色體級(jí)條斑紫菜基因組，組裝成三條染色體，通過比較基因組學(xué)分析鑒定出條斑紫菜基因組中“基因拷貝數(shù)顯著增多”的基因家族。研究成果系統(tǒng)解讀了條斑紫菜的基因組特性，揭示了驅(qū)動(dòng)紫菜異型世代適應(yīng)生境的進(jìn)化力量。本中心為其提供TCA循環(huán)中有機(jī)酸的13C豐度分析，確證絲狀孢子體吸收利用的主要碳來(lái)源途徑。該研究成果“Pyropia yezoensis genome reveals diverse mechanisms of carbon acquisition in the intertidal environment”2020年8月發(fā)布于《Nature Communications》(IF=12.5)。

# 應(yīng)用文章

02 案例分享

基因組組裝

該研究采用新一代高通量測(cè)序技術(shù)構(gòu)建了高質(zhì)量的染色體級(jí)條斑紫菜基因組，組裝成三條染色體，基因組大小為108Mb，其中重復(fù)序列占比48%，蛋白質(zhì)編碼基因共12855個(gè)。通過比較基因組學(xué)分析鑒定出條斑紫菜基因組中“基因拷貝數(shù)顯著增多”的基因家族。其中與抗氧化有關(guān)的基因家族，如SOD、LOX、TRX、TYR等，均呈現(xiàn)葉狀體世代特異性的表達(dá)活性，且在失水逆境下這些葉狀體特異基因具有顯著上調(diào)的轉(zhuǎn)錄特征，表明抗氧化基因家族的擴(kuò)張及共表達(dá)特征是葉狀體世代適應(yīng)極端環(huán)境的重要遺傳基礎(chǔ)。

無(wú)機(jī)碳的吸收

除了環(huán)境脅迫，無(wú)機(jī)C的獲得途徑也是藻類植物共同選擇的目標(biāo)。因此，條斑紫菜顯著的基因擴(kuò)增案例之一是碳酸酐酶(CA)編碼序列。作者根據(jù)各CA蛋白的亞細(xì)胞定位，在不同世代以及葉狀體失水逆境下的轉(zhuǎn)錄表達(dá)特征，構(gòu)建了紫菜二氧化碳濃縮機(jī)制模型，揭示紫菜葉狀體在干露失水時(shí)利用空氣二氧化碳作為碳源的遺傳機(jī)制。同時(shí)，絲狀體世代也具有特異性表達(dá)的分泌性CA蛋白。

同位素示蹤實(shí)驗(yàn)及豐度分析

通過實(shí)驗(yàn)表明，絲狀體產(chǎn)生的胞外Ca能夠?qū)犹妓徕}轉(zhuǎn)化為碳酸氫根，然后被藻類吸收，以支持光合作用的生長(zhǎng)。

為了證實(shí)這一假設(shè)，該研究用13C標(biāo)記的碳酸鈣培養(yǎng)游離絲狀體，并分析了三羧酸(TCA)循環(huán)中有機(jī)酸中13C的豐度。在標(biāo)記細(xì)胞中檢測(cè)到的13C在2.1%到4.9%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于13C的自然豐度。證實(shí)棲居于貝殼中的絲狀孢子體在細(xì)胞外CA作用下，將貝殼中的碳酸鈣轉(zhuǎn)化為碳酸氫根，可作為絲狀孢子體吸收利用的主要碳源之一。

水平基因轉(zhuǎn)移在條斑紫菜進(jìn)化中的作用

為了闡明水平基因轉(zhuǎn)移對(duì)條斑紫菜基因起源的潛在影響及其不同生活史的進(jìn)化，該研究對(duì)預(yù)測(cè)的基因庫(kù)進(jìn)行了全面的系統(tǒng)發(fā)育分析。這種方法鑒定了51個(gè)基因(約占清單的0.04%)，52.9%水平基因轉(zhuǎn)移在兩個(gè)世代中的任何一個(gè)世代都有特異性轉(zhuǎn)錄(29.4%在配子體中，23.5%在孢子體中)，而全基因組表達(dá)的百分比為16.7%，HGT衍生基因中階段特異性轉(zhuǎn)錄基因表達(dá)的豐富表明，這些外源序列為擬南芥屬物種提供了適應(yīng)功能，來(lái)自于細(xì)菌的基因水平轉(zhuǎn)移是條斑紫菜基因家族擴(kuò)張的進(jìn)化來(lái)源之一。

總 結(jié)

上海化工研究院生物醫(yī)藥檢測(cè)中心為其提供TCA循環(huán)中有機(jī)酸13C豐度分析，幫助確證了絲狀孢子體吸收利用的主要碳來(lái)源途徑。

條斑紫菜具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，做為全球重要的經(jīng)濟(jì)海洋作物之一，條斑紫菜具有典型的生存特征，其特征是生活在不同生境的異形世代交替。

條紋紫菜釋放的絲狀體鉆入軟體動(dòng)物貝殼的內(nèi)層，生活在鈣質(zhì)基質(zhì)中，然而二氧化碳在封閉的空間中是稀缺的，這減少了水交換，可能會(huì)限制絲狀體的生長(zhǎng)。過去的研究表明，大氣中二氧化碳的增加不會(huì)影響絲狀體的光合性能，這表明存在一種替代碳源。中國(guó)海洋大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研究了條斑紫菜的基因組，并分析了基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過同位素標(biāo)記、酶活抑制實(shí)驗(yàn)、生化酶活測(cè)定等，證實(shí)棲居于貝殼中的絲狀孢子體在細(xì)胞外CA作用下，將貝殼中的碳酸鈣轉(zhuǎn)化為碳酸氫根，可作為絲狀孢子體吸收利用的主要碳源之一。另外，研究還證明來(lái)自于細(xì)菌的基因水平轉(zhuǎn)移是條斑紫菜基因家族擴(kuò)張的進(jìn)化來(lái)源之一。

03 應(yīng)用技術(shù)簡(jiǎn)介

上海市穩(wěn)定同位素檢測(cè)與應(yīng)用研發(fā)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)依托于上海化工研究院有限公司生物醫(yī)藥檢測(cè)中心，以穩(wěn)定同位素測(cè)試為特色，率先在國(guó)內(nèi)獲得穩(wěn)定同位素試劑檢測(cè)領(lǐng)域CMA和CNAS認(rèn)證認(rèn)可。平臺(tái)可提供技術(shù)服務(wù)、檢測(cè)試劑、標(biāo)準(zhǔn)研制以及個(gè)性化定制等服務(wù)。

上海化工研究院生物醫(yī)藥檢測(cè)中心能提供糖酵解(EMP)途徑、三羧酸循環(huán)(TCA Cycle)、氨基酸代謝、一碳循環(huán)等關(guān)鍵通路的目標(biāo)代謝物的同位素示蹤檢測(cè)及定量檢測(cè)等分析測(cè)試業(yè)務(wù)。同時(shí)提供從穩(wěn)定同位素示蹤劑定制到代謝物示蹤的穩(wěn)定同位素示蹤整體解決方案。