摘要
硅藻作为海洋重要的初级生产者和食物链中重要的一环，在海洋生物地球化学循环中起非常重要的作用。随着海洋变暖，硅藻等浮游植物如何适应高温环境成为近年来的研究热点，关于硅藻适应海洋变暖的研究目前主要聚焦在生理水平上，如高温下硅藻生长速率、光合能力和细胞代谢物含量的变化等，但关于硅藻适应海洋变暖过程中的基因表达调控等相关研究尚少见报道。本研究以模式硅藻三角褐指藻（Phaeodactylumtricornutum）为研究对象进行热选择试验（约160代），通过测定三角褐指藻在最适温度（20℃）和不同时长热处理（25℃）下的各项生理生化指标，分析持续高温下三角褐指藻的细胞组成、物质代谢的动态变化；通过对基因转录调控及DNA甲基化变化的分析，探究硅藻适应海洋变暖的分子机制。 本研究测定热选择期间三角褐指藻的生长速率、光系统Ⅱ最大光化学量子产量（Fv/Fm），测定对照组、短期热处理组（约7代，7天）和长期热选择组（热选择约160代，180天）的生长速率、Fv/Fm、光合色素含量、可溶性蛋白含量、营养元素百分含量，观察细胞形态与大小变化。结果表明，相对于20℃，25℃条件下三角褐指藻的生长速率和Fv/Fm较低。随着高温持续，梭形的三角褐指藻细胞逐渐变宽，细胞内光合色素含量、可溶性蛋白含量和N元素百分含量均显著升高（P＜0.05）。说明无论短期还是长期，高温（25℃）处理在一定程度上抑制了三角褐指藻的生长繁殖和光合作用，但是促进了细胞营养物质的积累。此外，本研究还通过对热选择组的三角褐指藻进行热性能测定和氮限制试验，发现热选择有助于提高三角褐指藻在极端高温（30℃）中的存活率以及对氮营养盐限制的耐受性。 为进一步探究三角褐指藻在热选择过程中基因转录调控机制，本研究利用ONT全长测序技术，分析对照组（20℃）、短期热处理组（25℃，约7代）和热选择组（25℃，约160代）的基因转录水平变化。通过筛选转录差异基因并在GO、KEGG等数据库进行富集分析发现，在25℃热选择约160代期间，三角褐指藻多个基因的转录呈动态变化。热选择后三角褐指藻氮代谢途径中硝酸盐转运蛋白、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶等的编码基因转录上调，表明细胞氮吸收同化能力得到提升。热选择组有多个Lhcf和Lhcr型捕光蛋白的编码基因转录下调，短期热处理只导致Lhcr10蛋白编码基因的转录下调，但两实验组中参与光保护的Lhcx型蛋白的编码基因转录均受到促进。高温下，光能转换效率受到抑制，在长期热选择过程中，三角褐指藻通过基因表达调控，抑制光吸收，同时促进叶绿素的非光化学淬灭（促进Lhcx蛋白的表达和类胡萝卜素含量的增加），避免能量吸收与转换效率不协调而造成的自由基的产生。以上结果表明，硅藻通过提高营养吸收代谢和抑制光合效率来协调能量代谢，从而适应海洋变暖。 表观遗传机制参与基因转录调控，为了更深入了解三角褐指藻DNA甲基化机制对基因表达的调控，探索硅藻适应海洋变暖过程中DNA甲基化机制发挥的作用，本研究利用纳米孔单分子实时电信号测序技术（ONT），首次分析并获得了三角褐指藻DNA6mA甲基化图谱。在三角褐指藻全基因组DNA上，6mA、CpG、CHG和CHH各类型甲基化水平分别为15.6%、3.5%、14.4%和15.7%。三角褐指藻DNA甲基化修饰在不同实验组中具有广泛差异，约90%差异甲基化位点（DML）在启动子区域。对三角褐脂藻甲基组和转录组进行联合分析，结果表明，6mA甲基化与基因高转录丰度相关，CpG甲基化则于基因转录抑制相关。例如，捕光蛋白Lhcr11编码基因的转录下调与6mA去甲基化相关，不饱和脂肪酸合成途径中去饱和酶PTD15编码基因的转录与启动子区域的CG甲基化显著负相关，这些结果表明DNA甲基化参与三角褐指藻在热适应过程中的基因表达调控。
NETL