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随着人类社会的发展和人类生产活动的增加，各类生态环境问题也愈发突出。在我国黄海海域，浒苔绿潮已经连续爆发13年，不仅严重威胁了周边海域的生态健康安全，也为沿海城市的水产养殖业和旅游业带来了巨大的经济损失。如何科学有效地防控浒苔绿潮的发生是当前的首要问题。目前，黄海浒苔绿潮的起源等问题有了初步的研究成果:黄海的浒苔绿潮最初形成于苏北浅滩的紫菜养殖区，该区域中含有大量的浒苔微观繁殖体，成为黄海浒苔绿潮持续爆发的“种子库”;同时，相比于其他绿藻，浒苔具有更高效的营养吸收能力，这为浒苔在短时间内快速生长发育爆发成为绿潮灾害提供了基础。然而，黄海绿潮浒苔生长发育的分子机理却未见报道。
本研究围绕黄海绿潮浒苔生长发育的分子机理展开，主要开展了以下几个方面的工作:
首先，我们组织了两次种源调查航次，采集苏北浅滩紫菜养殖区的沉积物样品，通过培养，发现沉积物中存在石莼属、盘苔属等大型绿藻的微观繁殖体，其中石莼属繁殖体数量占优，同时，石莼属包括曲浒苔（Ulva flexuosa）、浒苔（Ulva prolifera）、扁浒苔（Ulva compressa）和缘管浒苔（Ulva linza），其中，曲浒苔数量占优。该部分结果完善了苏北浅滩紫菜养殖区绿藻微观繁殖体的物种多样性，为我们进一步了解黄海浒苔绿潮爆发的生态学过程提供了基础。
其次，为了考察浒苔在黄海绿潮中占据优势地位的原因，我们针对以上四种石莼属绿藻进行了比较转录组测序分析。测序结果表明，四种绿藻共有一组数目相似的核心基因，且这部分基因参与了过半的藻类代谢过程。同时，与其他三种绿藻相比，浒苔中众多生长发育相关的基因如硝酸盐转运蛋白和丙酮酸激酶等基因发生了富集，这部分基因的富集可能使得浒苔更具有生长竞争优势，从而成为黄海绿潮的优势种。该结果为我们了解浒苔成为黄海绿潮优势种的分子机理提供了思路。
第三，以上关于浒苔生长发育特点的研究都是基于浒苔与细菌共存的条件，而无菌条件下浒苔是否也能爆发成为绿潮我们尚不知晓。为了研究无菌条件下浒苔的生长发育特点，我们利用5种抗生素联合处理的方法成功构建了浒苔愈伤组织。结果表明，在无菌条件下，浒苔孢子体/配子体形成愈伤组织，无法完成正常的形态建成和生长发育。浒苔愈伤组织的成功构建为进一步研究浒苔的形态建成和生长发育奠定了基础。
第四，我们研究了4株浒苔共附生菌对浒苔愈伤组织的诱导作用。针对本实验室前期筛选到的16株浒苔共附生菌的研究发现，有4株细菌对浒苔愈伤组织具有明显的诱导作用，为E68(Roseobacter sp.)，E69(Marivita sp.)，E104(Bacillus sp.)，E110(Maribacter sp.)。针对4株细菌对浒苔愈伤组织的诱导实验发现，4株细菌均需要达到一定的工作浓度才能发挥诱导作用，同时，不同细菌在同种工作浓度时的诱导作用也有差距，其中E110细菌的诱导能力最优。另外，4株细菌发挥诱导作用无需与浒苔愈伤组织直接接触。细菌诱导前后愈伤组织的转录组测序结果表明，大量生长发育相关的基因产生差异表达，从而为阐明细菌诱导浒苔形态建成和生长发育的分子机理奠定了初步的基础。同时，对尖种礁膜等其他石莼属绿藻具有诱导作用的thallusin也能诱导浒苔愈伤组织的形态建成和生长发育，这为我们鉴定细菌发挥诱导作用的活性物质提供了一种思路。
最后，为了进一步研究浒苔生长发育的分子机理尤其是固碳途径的分子机理，我们选取了在绿藻固碳途径必不可少的关键酶.碳酸酐酶作为研究对象。我们通过克隆获得了3条浒苔碳酸酐酶基因:UpyCA1，UpyCA2和UpaCA1，生物信息学分析证实UpyCAI和UpyCA2属于γ碳酸酐酶家族，UpaCA1属于α碳酸酐酶家族，系统进化树分析表明它们在进化上具有种属保守性。我们成功构建了UpaCA1基因的过表达载体，原核表达纯化蛋白并检测到碳酸酐酶活性。qRT-PCR结果表明三种碳酸酐酶均对高温、低温、高盐、低盐、高光和低光培养条件敏感，受到这几种条件的抑制，这与浒苔在这几种条件下生长受到抑制的情况相一致，表明环境因素可能通过调节碳酸酐酶来直接调节浒苔生长。而三种碳酸酐酶对pH7.5～8.5的培养条件适应较好，其转录水平在长时间上处于动态平衡状态，与浒苔在海洋酸化的进程中仍然保持生长优势相吻合。本结果为研究浒苔固碳途径及其在不同条件下的生长规律提供了分子基础。
本论文相关工作首次提出以下推论:
1.首次分析了浒苔、曲浒苔、扁浒苔和缘管浒苔四种黄海石莼属绿藻在转录水平上的差异，结果表明与其他三种绿藻相比，浒苔中许多生长发育相关的重要基因产生了富集，为从分子进化角度理解浒苔作为黄海绿潮优势藻种提供了研究基础。
2.首次构建了浒苔愈伤组织，表明无菌条件下浒苔无法完成正常的形态建成和生长发育，为研究浒苔形态建成及生长发育的分子机理提供了基础。
3.首次考察了四种细菌对浒苔愈伤组织的诱导作用，包括不同细菌、不同工作浓度的同种细菌对浒苔愈伤组织有不同的诱导效果，细菌发挥诱导作用无需与愈伤组织直接接触等。通过转录组测序初步考察了细菌诱导浒苔愈伤组织的分子机理，发现细菌诱导浒苔愈伤组织使得大量生长分化相关基因产生表达差异。
4.首次发现thallusin对浒苔愈伤组织的诱导作用。为进一步确定细菌诱导浒苔愈伤组织的具体物质和作用机制提供思路。
5.首次克隆分析了浒苔碳酸酐酶基因，也是石莼属绿藻中首次获得碳酸酐酶基因。获得了3条浒苔碳酸酐酶基因:UpyCA1，UpyCA2和UpaCA1，活性检测结果表明UpaCA1为活性蛋白。同时，qRT-PCR结果表明三种碳酸酐酶对不同环境条件具有不同的响应特点，为了解浒苔生长发育尤其是固碳途径的分子机理提供了基础。
本研究围绕黄海绿潮浒苔生长发育的分子机理展开，主要开展了以下几个方面的工作:
首先，我们组织了两次种源调查航次，采集苏北浅滩紫菜养殖区的沉积物样品，通过培养，发现沉积物中存在石莼属、盘苔属等大型绿藻的微观繁殖体，其中石莼属繁殖体数量占优，同时，石莼属包括曲浒苔（Ulva flexuosa）、浒苔（Ulva prolifera）、扁浒苔（Ulva compressa）和缘管浒苔（Ulva linza），其中，曲浒苔数量占优。该部分结果完善了苏北浅滩紫菜养殖区绿藻微观繁殖体的物种多样性，为我们进一步了解黄海浒苔绿潮爆发的生态学过程提供了基础。
其次，为了考察浒苔在黄海绿潮中占据优势地位的原因，我们针对以上四种石莼属绿藻进行了比较转录组测序分析。测序结果表明，四种绿藻共有一组数目相似的核心基因，且这部分基因参与了过半的藻类代谢过程。同时，与其他三种绿藻相比，浒苔中众多生长发育相关的基因如硝酸盐转运蛋白和丙酮酸激酶等基因发生了富集，这部分基因的富集可能使得浒苔更具有生长竞争优势，从而成为黄海绿潮的优势种。该结果为我们了解浒苔成为黄海绿潮优势种的分子机理提供了思路。
第三，以上关于浒苔生长发育特点的研究都是基于浒苔与细菌共存的条件，而无菌条件下浒苔是否也能爆发成为绿潮我们尚不知晓。为了研究无菌条件下浒苔的生长发育特点，我们利用5种抗生素联合处理的方法成功构建了浒苔愈伤组织。结果表明，在无菌条件下，浒苔孢子体/配子体形成愈伤组织，无法完成正常的形态建成和生长发育。浒苔愈伤组织的成功构建为进一步研究浒苔的形态建成和生长发育奠定了基础。
第四，我们研究了4株浒苔共附生菌对浒苔愈伤组织的诱导作用。针对本实验室前期筛选到的16株浒苔共附生菌的研究发现，有4株细菌对浒苔愈伤组织具有明显的诱导作用，为E68(Roseobacter sp.)，E69(Marivita sp.)，E104(Bacillus sp.)，E110(Maribacter sp.)。针对4株细菌对浒苔愈伤组织的诱导实验发现，4株细菌均需要达到一定的工作浓度才能发挥诱导作用，同时，不同细菌在同种工作浓度时的诱导作用也有差距，其中E110细菌的诱导能力最优。另外，4株细菌发挥诱导作用无需与浒苔愈伤组织直接接触。细菌诱导前后愈伤组织的转录组测序结果表明，大量生长发育相关的基因产生差异表达，从而为阐明细菌诱导浒苔形态建成和生长发育的分子机理奠定了初步的基础。同时，对尖种礁膜等其他石莼属绿藻具有诱导作用的thallusin也能诱导浒苔愈伤组织的形态建成和生长发育，这为我们鉴定细菌发挥诱导作用的活性物质提供了一种思路。
最后，为了进一步研究浒苔生长发育的分子机理尤其是固碳途径的分子机理，我们选取了在绿藻固碳途径必不可少的关键酶.碳酸酐酶作为研究对象。我们通过克隆获得了3条浒苔碳酸酐酶基因:UpyCA1，UpyCA2和UpaCA1，生物信息学分析证实UpyCAI和UpyCA2属于γ碳酸酐酶家族，UpaCA1属于α碳酸酐酶家族，系统进化树分析表明它们在进化上具有种属保守性。我们成功构建了UpaCA1基因的过表达载体，原核表达纯化蛋白并检测到碳酸酐酶活性。qRT-PCR结果表明三种碳酸酐酶均对高温、低温、高盐、低盐、高光和低光培养条件敏感，受到这几种条件的抑制，这与浒苔在这几种条件下生长受到抑制的情况相一致，表明环境因素可能通过调节碳酸酐酶来直接调节浒苔生长。而三种碳酸酐酶对pH7.5～8.5的培养条件适应较好，其转录水平在长时间上处于动态平衡状态，与浒苔在海洋酸化的进程中仍然保持生长优势相吻合。本结果为研究浒苔固碳途径及其在不同条件下的生长规律提供了分子基础。
本论文相关工作首次提出以下推论:
1.首次分析了浒苔、曲浒苔、扁浒苔和缘管浒苔四种黄海石莼属绿藻在转录水平上的差异，结果表明与其他三种绿藻相比，浒苔中许多生长发育相关的重要基因产生了富集，为从分子进化角度理解浒苔作为黄海绿潮优势藻种提供了研究基础。
2.首次构建了浒苔愈伤组织，表明无菌条件下浒苔无法完成正常的形态建成和生长发育，为研究浒苔形态建成及生长发育的分子机理提供了基础。
3.首次考察了四种细菌对浒苔愈伤组织的诱导作用，包括不同细菌、不同工作浓度的同种细菌对浒苔愈伤组织有不同的诱导效果，细菌发挥诱导作用无需与愈伤组织直接接触等。通过转录组测序初步考察了细菌诱导浒苔愈伤组织的分子机理，发现细菌诱导浒苔愈伤组织使得大量生长分化相关基因产生表达差异。
4.首次发现thallusin对浒苔愈伤组织的诱导作用。为进一步确定细菌诱导浒苔愈伤组织的具体物质和作用机制提供思路。
5.首次克隆分析了浒苔碳酸酐酶基因，也是石莼属绿藻中首次获得碳酸酐酶基因。获得了3条浒苔碳酸酐酶基因:UpyCA1，UpyCA2和UpaCA1，活性检测结果表明UpaCA1为活性蛋白。同时，qRT-PCR结果表明三种碳酸酐酶对不同环境条件具有不同的响应特点，为了解浒苔生长发育尤其是固碳途径的分子机理提供了基础。