中肋骨条藻利用溶解态有机磷的生化机制研究
张小华
学位类型博士
导师刘东艳
2020-05-13
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位名称工学博士
学位专业环境科学
关键词中肋骨条藻，溶解态有机磷，转录组测序，碱性磷酸酶，升温
摘要磷是海洋浮游植物赖以生存的基础营养元素之一。观测资料显示，不少海域浮游植物的生长受到溶解态无机磷（Dissolved inorganic phosphorus, DIP）的季节性限制。有研究发现，在DIP缺乏的条件下，浮游植物中的一些种类可以利用小分子溶解态有机磷（Dissolved organic phosphorus, DOP），成为资源竞争的获胜者，甚至可能引起有害藻华的暴发。海洋环境中DOP种类繁多，浮游植物通过什么生理生化途径、优先利用哪些类型的DOP？在科学上仍然没有完全阐述清楚或存在一些争议，需要从分子水平上进一步阐明。本论文以近岸海域常见的赤潮硅藻中肋骨条藻（Skeletonema costatum）为研究对象，选取含有C-O-P键的三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate, ATP）、甘油磷酸钠（Sodium glycerophosphate, SG-P）、6-磷酸葡萄糖（Glucose 6-phosphate, G-6-P）和含有C-P键的草甘膦（Glyphosate, G-P）四种不同类型的DOP，通过实验室培养检测中肋骨条藻对不同DOP利用的生理响应。实验进一步研究了4种温度条件下，中肋骨条藻对不同DOP的利用特征，并在全基因组转录水平上比较了中肋骨条藻以ATP和NaH2PO4为磷源条件下基因转录表达的差异，探讨了中肋骨条藻对ATP利用的分子机制。主要研究结果如下：1）中肋骨条藻对ATP、SG-P、G-6-P和G-P 4种不同DOP的生理响应。研究发现，中肋骨条藻在ATP、SG-P和G-6-P条件下均能较好地维持生长，而在G-P条件下仅能维持较低水平的生长，表明中肋骨条藻对不同类型DOP的利用能力不同，其更易利用含有C-O-P键的DOP。进一步研究发现，ATP处理组培养液中伴有大量DIP产生，提示ATP可能在胞外被酶水解后吸收利用；而SG-P和G-6-P处理组中均未检测到DIP含量显著升高，提示SG-P和G-6-P可能被中肋骨条藻直接吸收利用。但是，ATP、SG-P和G-6-P处理组中均未检测到碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase, AP）活性显著升高，表明中肋骨条藻对ATP、SG-P和G-6-P的利用均不依赖AP。2）温度改变对中肋骨条藻利用ATP、SG-P、G-6-P和G-P的影响。研究结果表明，温度对不同DOP条件下藻细胞的生长具有显著性影响（P < 0.01），且与DOP类型存在显著的交互作用（P < 0.01）。在本实验温度范围内（20-29°C），升温可促进中肋骨条藻在以ATP、SG-P、G-6-P为唯一磷源条件下的生长，但对G-P条件下藻细胞的生长并无明显促进作用。温度对ATP处理组培养液中DIP浓度有显著影响（P < 0.01），升温可加速ATP处理组培养液中DIP浓度的升高，但不能促进其余各DOP处理组培养液中DIP的升高。此外，ATP、SG-P、G-6-P处理组在不同温度条件下AP均处于较低水平（< 10 fmol pNP cell-1 h-1），而G-P处理组藻细胞内AP活性显著高于ATP、SG-P和G-6-P处理组（最高达83 fmol pNP cell-1 h-1）且随温度升高而降低。3）基于转录组学研究中肋骨条藻对ATP利用的分子机制。利用RNA-Seq高通量测序技术比较中肋骨条藻在分别以ATP和NaH2PO4为唯一磷源条件下全基因组转录表达差异。经基因功能注释与差异表达基因筛选，与NaH2PO4处理组相比，ATP处理组中共有603个基因发生显著差异表达（上升表达基因136个、下调表达基因467个）。随机挑选6个基因通过实时荧光定量PCR（RT-qPCR）进一步验证了RNA-Seq转录组测序的准确性。与前期AP酶活性测定结果一致，ATP处理组中AP相关编码基因表达未发生显著升高，但编码NAD+二磷酸酶和核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶的基因表达显著上调，提示它们可能是直接参与ATP利用的水解酶。此外，GO和KEGG富集分析表明，中肋骨条藻通过下调嘌呤代谢、甘油酯质代谢和光合作用等途径来适应外界ATP环境，维持其正常生长。本研究阐明了中肋骨条藻对不同类型DOP利用的生理响应特征及其受温度变化的影响，并进一步从分子水平揭示了中肋骨条藻对ATP的利用机制。研究结果表明中肋骨条藻更易利用含有C-O-P键的ATP、SG-P和G-6-P，且升温能显著促进中肋骨条藻在这三种DOP条件下的生长，但该利用过程以及升温的促进效应均不依赖于AP活性。基于转录组学研究发现中肋骨条藻可能通过其它水解酶（NAD+二磷酸酶和核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶）利用ATP，这是在硅藻中报道的独特DOP利用机制，将为进一步揭示中肋骨条藻和其它硅藻中DOP的利用途径供参考。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.yic.ac.cnhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24229
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文

推荐引用方式
GB/T 7714张小华. 中肋骨条藻利用溶解态有机磷的生化机制研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2020.


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