共生藻Fugacium kawagutii基因组优化及其响应营养盐胁迫的分子机制

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共生藻(隶属共生藻科Symbiodiniaceae的甲藻)是一类可与珊瑚等海洋无脊椎动物建立共生关系的单细胞藻类。已报道超过100多种共生藻可与珊瑚建立共生关系,这种共生关系是珊瑚礁生态系统最基本的生态特征,对维持珊瑚健康和生态系统的功能稳定具有深远的意义。但是,随着全球气候变化和人类活动的影响,珊瑚礁生态系统面临着诸多挑战,珊瑚白化现象严重。珊瑚白化即珊瑚体内共生藻数目大量减少或者共生藻细胞失去色素时出现的颜色发白的现象,其结果往往导致珊瑚死亡,其内部分子机制尚无明确定论。因此,从分子层面上了解共生藻的基因结构及其对环境因子胁迫的响应是认识珊瑚和共生藻能否适应未来气候变化的关键。本论文以共生藻科Fugacium属中的Fugacium kawagutii为研究对象,从分子层面上对F.kawagutii进行以下五个方面的研究:1.结合高通量染色体构象捕获(Hi-C)、二代高通量测序(Illumina)和三代全长测序技术(PacBio),对F.kawagutii的基因组进行重新组装。优化后基因组的N50达到13533496bp,部分scaffolds两端具有端粒结构,部分基因组组装效果达到染色体水平。优化后的基因组是目前已测七株共生藻基因组中组装效果最好的,为未来开展基于珊瑚和共生藻的基因组学和转录组学等研究提供了可靠参考。2.通过二代转录组测序技术,分析比较五种痕量金属离子对F.kawagutii细胞生长、基因表达和代谢通路的影响。结果表明,铁对共生藻细胞内代谢途径的影响最显著,其次是锰、锌、铜和镍。在五种金属离子胁迫条件下,细胞外基质、细胞表面结构、细胞粘附相关蛋白以及细胞免疫相关蛋白的编码基因受到调控。另外,缺铁时,细胞的抗氧化能力减弱,活性氧的生成增加,细胞受到氧化损伤、代谢障碍、细胞破坏和细胞突变的可能性增加。当珊瑚内胚层中的共生藻处于这种胁迫环境时,可能会导致其被珊瑚宿主排出体外,引发珊瑚白化。3.通过生理实验和转录组测序,探究氮营养盐对F.kawagutii细胞生长、基因表达和代谢通路的影响。结果显示,氮胁迫会导致细胞生长、细胞内叶绿素a含量、能量产出、活性氧清除能力和光合作用产物运输能力的下降。在氮胁迫条件下,筛选得到52个与氮转运和同化相关的基因,其中8个基因对五种痕量金属离子、磷、热激等胁迫条件无响应,可作为响应氮胁迫的候选指示基因。4.通过结合营养盐吸收动力学和转录组学,比较了共生藻吸收铵盐和硝酸盐的差异。结果显示,共生藻优先吸收铵且吸收铵的速率比硝酸盐快,而且参与营养盐转运和氮同化过程相关的基因在细胞吸收铵的过程中表达下调,说明细胞在以铵作为氮源的条件下,投入到N的转运和同化的能量减少。与此相反,细胞内C含量和抗氧化相关基因表达上调,说明在以铵作为氮源的条件下细胞投入到C固定和抗氧化的能量增多。此外,培养基中铵的存在会抑制硝酸盐的吸收,而且高浓度的铵对细胞的生长具有抑制作用。5.参考已发表核心基因集的筛选方法,对五种痕量金属离子胁迫、氮胁迫以及不同氮源条件下稳定且高表达的基因进行筛选。结合已经发表的F.kawagutii的核心基因集,生成F kawagutii最新版本的核心基因集。新的核心基因集包括10个基因,这10个基因在11种环境条件下稳定表达,可作为内参基因的候选对象,为后续基因表达的研究奠定基础。
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