基于转录组测序的长心卡帕藻光合作用和乔利橘色藻类胡萝卜素合成关键基因分析

发布时间：2020-09-21 22:07

　　本文以生长于热带海域的大型藻类长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)和低温高原的陆生微藻乔利橘色藻(Trentepohlia jolithus)为对象,利用转录组测序研究手段探讨它们的基因注释和代谢途径。一方面,详述了长心卡帕藻在不同温度条件下的转录组测序结果,深入研究了其假定光合作用基因及其参与的代谢过程。另一方面,分析了乔利橘色藻的转录组测序数据并讨论了其碳固定和类胡萝卜素的合成过程。长心卡帕藻是一种不抗低温的热带大型经济红藻,也是提取卡帕型卡拉胶的重要原料,目前对该藻在不同温条件下分子水平的基因表达变化情况所知甚少。本研究将该藻分别在高温(HT,34℃)、低温(LT,17℃)和正常温度(CK,26℃)下处理24小时后,通过Illumina HiSeq?2000双端测序获得约1.08亿bp原始reads,将3个样品的Clean Reads共同拼接后注释得到11,537条非冗余unigene,最后利用Blast算法,通过与不同公共数据库中的基因进行同源比对,分别将9,920(85.98%)和10,952(91.81%)条unigene注释到GO Slim和EggNOG分类数据库中。同时,通过KEGG代谢通路分析将5,015条unigene聚类到六大类生化途径、295条KEGG途径中。研究发现参与长心卡帕藻光合作用和天线蛋白表达的基因分别有48和23个,且缺失普通绿色植物中参与锰簇合物结构形成的PsbP基因,而存于该藻的PsbU基因很可能代替之以行使功能。两两比较不同温度条件下的基因表达情况,共筛选出677个差异表达基因。与常温环境相比,低温和高温条件下差异表达的基因数目分别为245和183个,其中低温下上调(下调)表达的有59(186)个,高温下上调(下调)表达的有20(163)个。在此基础上,重点讨论了光合作用参与基因的温度适应机制:低温条件下,光系统II中3个基因(PsbO、PsbQ、PsbR)和光系统I的5个基因(PsaD、PsaF、PsaG、psah、psak)出现下调表达,未发现上调表达基因;高温条件下,上调和下调表达的基因数目分别为9个和4个(psba、psbc、psab、atpf1a)。高低温胁迫条件下,细胞色素b6/f复合体和光合电子传递相关基因依然稳定表达,表明其不受温度胁迫的影响。与此同时,不同温度条件下叶绿素荧光动力学曲线中i和k点的快速上升印证了温度胁迫会导致光损伤。较之低温胁迫,高温胁迫下基因差异表达数目更多,叶绿素荧光动力学曲线的变化幅度更剧烈,表明高温对长心卡帕藻所造成的生理学损伤更大。本部分研究中大量光合作用和天线蛋白等相关基因的识别筛选,将促进长心卡帕藻的温度适应机制的分子生物学研究,对筛选新变种与扩张养殖区域具有重要意义。乔利橘色藻是一种不抗高温的高海拔地区陆生微藻,大量积累β-胡萝卜素是其重要特征之一。目前针对该藻的研究主要集中在形态学、分类学、系统发育学和其地理分布与繁殖等方面,分子生物学相关研究相对稀少。本研究首先基于illuminahiseq?2000测序得到了41,328条unigene;然后根据nr注释结果,将22,018(53.28%)条unigene聚类到52个go分类中,其中涵盖了161,451个子功能分类;接着通过kegg注释分析将26,217(63.44%)条unigene归属到128条生化途径之中;最后,在乔利橘色藻转录组中分别检测到5,798个ssrs和131,478个snp位点。在以上基因注释与信息挖掘基础上,发现c3、c4、脂肪酸及类胡萝卜素合成代谢相关基因分别有139、157、122和99个。乔利橘色藻c固定途径分析中,c3、c4两种途径中所涉及的基因都有所体现,表明其c固定系统的复杂性,这种高效的固碳方式对其在高光、低温、干旱环境下生存十分有利。类胡萝卜素合成通路分析发现,该藻缺失了甲醛戊酸激酶(mvk),导致其不能通过甲醛戊酸途径(mvapathway)合成异戊二烯焦磷酸(ipp)和二甲烯丙基焦磷酸(dmapp)。相比之下,所有编码非甲醛戊酸途径(mep/doxppathway)相关基因中都有所体现,使之成为类胡萝卜素合成底物的来源。此外,将乔利橘色藻类胡萝卜素合成路径与其他微藻对比发现,该藻转录组序列注释基因中没有胡萝卜素β酮醇酶(crto),这很可能是其不能合成虾青素的重要原因。本研究是对橘色藻目转录组测序的首次报道,丰富了石莼纲的分子生物学数据库。在完成基因功能注释的同时,碳固定、脂肪酸合成代谢及类胡萝卜素合成通路的分析对确定乔利橘色藻的资源开发方向具有重要意义。
【学位单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：Q943.2
【部分图文】：

分布图,箱线图,质量分布,碱基

（http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/）进行质量过滤质控分析，通过分析序列的质量分布箱线图、碱基质量分布图、碱基和 GC 含量分布图确认序列的质量。分析结果以图 2-1 形式呈现。

高温处理,凝胶电泳,样品质量,低温

图 2-2 长心卡帕藻低温、对照及高温处理下 RNA 凝胶电泳。Figure 2-2. Agarose electrophoresis of extracted K. alvarezii RNA.确定 RNA 样品质量合格后，将十份 RNA 样品等量混行定量总结样品质量，从下表（表 2-2）可以看出，本实验中样

长度分布,长度分布

图 2-6 长心卡帕藻 contig 长度分布。Figure 2-6. Length distribution of K. alvarezii contigs.图 2-7 长心卡帕藻 Transcript 长度分布。Figure 2-7. Length distribution of K. alvarezii transcripts.

【共引文献】