近日，中國科學(xué)院海洋研究所藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種團(tuán)隊與合作者利用精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)揭示了海洋硅藻對種群密度信號的感知和傳遞機(jī)制。研究成果發(fā)表在《國際微生物生態(tài)學(xué)學(xué)會雜志》上。
陸地和海洋中的動物會通過聲音、動作、氣味進(jìn)行信息的交流。海洋中的單細(xì)胞微藻也有自己的信息感知和交流方式。硅藻作為地球上最重要的光合生物之一，看似“默默無聞”，硅藻每年固定的有機(jī)碳約相當(dāng)于陸地上所有熱帶雨林固碳的總和，極大地影響生態(tài)系統(tǒng)、大氣二氧化碳濃度和全球氣候。環(huán)境適宜時，硅藻的迅速增殖會形成藻華。“聰明”的硅藻細(xì)胞可以感知種群細(xì)胞密度的波動，并據(jù)此調(diào)整細(xì)胞的生理活動，從而影響藻華發(fā)生發(fā)展過程。此外，細(xì)胞密度感知和傳導(dǎo)機(jī)理之于微藻產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)迭代至關(guān)重要，可為微藻超高密度培養(yǎng)提供理論依據(jù)。然而，目前關(guān)于藻細(xì)胞如何實現(xiàn)密度感知和信號傳遞仍不清晰。
研究團(tuán)隊聚焦海洋代表性單細(xì)胞模型硅藻-三角褐指藻，設(shè)計了一個不同細(xì)胞密度和光照條件的正交實驗，以激發(fā)出不同類型的攜帶密度信息的信號。利用RNA-Seq和加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，團(tuán)隊鑒定到了密度依賴性表達(dá)模式的四個基因簇。通過結(jié)合基因編輯、生理生化實驗和生物信息學(xué)分析，團(tuán)隊進(jìn)一步鎖定了一個潛在的關(guān)鍵基因PtSLC24A。在此基礎(chǔ)上，基于分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)、計算結(jié)構(gòu)生物學(xué)和大尺度原位海洋數(shù)據(jù)，團(tuán)隊進(jìn)而驗證了PtSLC24A在海洋硅藻種種群密度胞內(nèi)信號傳遞中的作用。
顯微鏡下的三角褐指藻 海洋研究所供圖
SLC24A介導(dǎo)的種群密度感知和調(diào)控機(jī)制模式圖 海洋研究所供圖
“我們提出了一種鈣離子介導(dǎo)的海洋硅藻細(xì)胞密度信號的胞內(nèi)傳導(dǎo)機(jī)制：當(dāng)細(xì)胞接收到種群密度信號之后，結(jié)合在細(xì)胞膜上的PtSLC24A蛋白通過加速胞內(nèi)鈣離子的外流以維持特定的細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平，從而將密度信號在胞內(nèi)傳遞下去，調(diào)節(jié)包括細(xì)胞凋亡在內(nèi)的生理過程，最終影響種群命運(yùn)。打個比方，就像人類依靠眼睛看到事物，沒有眼睛的單細(xì)胞硅藻則通過鈣離子介導(dǎo)的信號通路感知周圍‘小伙伴'的存在。”論文共同通訊作者、海洋研究所博士顧文輝表示。
論文通訊作者、海洋研究所研究員王廣策說：“這一發(fā)現(xiàn)不僅為硅藻藻華暴發(fā)時種群動態(tài)變化及藻華命運(yùn)決定機(jī)制提供了新見解，也為工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)微藻的高密度培養(yǎng)提供了新思路。”
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省重點研發(fā)計劃、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項目的支持。
論文相關(guān)信息：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae039
本文鏈接：基因編輯技術(shù)揭開海洋硅藻密度感知的謎底http://m.sq15.cn/show-11-4750-0.html
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