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科研進展

水生所揭示等位基因依賴表達和功能差異調控硅藻碳儲存和生長的新機制

發表日期:2023-11-07潘玉芳來源:水生生物研究所放大 縮小

  硅藻是一類自養的單細胞真核藻類,能夠高效的將太陽能轉化為化學能貯存起來,是主要的初級生產者,約占海洋總固碳量的40%,為地球提供了20%的初級生產力,相當于整個熱帶雨林的凈初級生產量。三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)是硅藻研究的模式種,在特定的環境條件下以油脂(主要是甘油三酯,TAG)的形式將碳和能量儲存起來。目前認為它僅有無性生殖方式,具有生長快、易培養、單位面積產油量高等優點,是極具潛力的生物柴油原料。 

  真核生物TAG的合成主要有兩種途徑:依賴于?;o酶A的從頭合成途徑和不依賴于?;o酶A的合成途徑,分別由二酰甘油?;D移酶(DGAT)和磷脂:二酰甘油?;D移酶(PDAT)催化。近日,中國科學院水生生物研究所胡晗華研究員課題組揭示了三角褐指藻PDAT等位基因依賴表達和功能差異調控其碳儲存和生長的新機制。該研究發現,三角褐指藻Pt1株系PDAT等位基因的編碼區存在47個單核苷酸位點變異(SNVs)。對已發表的87個轉錄組數據分析顯示,其中一個等位基因(PDAT Allele 2)的表達在氮限制條件下被特異性地誘導(圖1)。 

1 不同培養條件下三角褐指藻PDAT的表達水平

  在三角褐指藻中特異性地過量表達等位基因PDAT Allele 2可以在營養限制條件下使細胞中的TAG含量提高44~74%;而過量表達另外一個等位基因PDAT Allele 1幾乎不影響細胞中的TAG積累,卻嚴重地限制了細胞的生長(圖2);這表明兩個PDAT等位基因編碼的蛋白質具有不同的功能。 

2 過量表達三角褐指藻兩個PDAT等位基因對生長、氮利用和TAG積累的影響

  酵母中異源表達分析顯示,等位基因 PDAT Allele 2編碼的氨基酸有TAG合成的活性,而等位基因 PDAT Allele 1編碼的氨基酸幾乎沒有TAG合成的活性,N端的7個和C端的3個氨基酸變異對二者的活性有顯著影響(圖3)。對PDAT基因敲除藻株進行脂質組分析,發現三角褐指藻PDAT主要以單半乳糖甘油二酯(MGDG)和磷脂酰膽堿(PC)作為?;w,這與其葉綠體最內層膜定位特性相符。該研究揭示了由等位基因編碼的PDAT在介導碳儲存和生長以應對氮脅迫方面的不平衡作用,并提出了提高脂質含量和生物量的基因工程新策略。 

3 PDAT等位基因編碼的氨基酸活性及結構分析

  上述研究成果以“Allele-dependent expression and functionality of lipid enzyme PDAT affects diatom carbon storage and growth”為題發表在Plant Physiology雜志上,胡晗華研究員為該論文的通訊作者,高級實驗師潘玉芳為論文的第一作者。北京大學劉進研究員團隊及法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學Eric Mar chal教授團隊參與了此項工作。該研究得到了國家自然科學基金(41976119,4237613131800302)和中國科學院國際合作局國際伙伴計劃075GJHZ2022014MI等項目的資助。文章鏈接為https://doi.org/10.1093/plphys/kiad581。 

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