不同基因型颗石藻Emilinia huxleyi对低pH及缺铁的差异响应及机制研究
任庆敏
学位类型硕士
导师秦松
2021-05-10
培养单位中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称理学硕士
学位专业海洋生物学
关键词颗石藻海洋酸化铁限制钙化光合
摘要颗石藻被认为是地球上最具生产力的钙化生物之一，在每年50亿吨的海洋碳酸钙产量中占到了三分之一的贡献，其光合固碳（生物碳泵）的规模以及钙化释放碳（碳酸盐反向泵）的特性，使之在调节海洋生物地球化学循环和全球气候方面有着举足轻重的作用。人类使用化石能源排放大量CO2引起了全球气候变化和海洋酸化，同时海洋酸化加重了海洋浮游植物的铁限制，日益加剧的海洋酸化和铁限制给颗石藻的钙化和生长造成了严重威胁。这种威胁可能会影响到颗石藻对全球气候的反馈调节，因此具有重要的研究意义。然而，这两种环境变化对颗石藻会有什么影响尚不清楚。前人报道的结果中pH/pCO2对颗石藻钙化的影响存在诸多矛盾和差异，其内在机制缺乏深度解析。关于铁限制对颗石藻光合生理及钙化的影响更是知之甚少。赫胥黎艾氏藻（Emilinia huxleyi）是世界上丰度最高的颗石藻，且易于培养，是颗石藻中最为广泛研究的模式物种。本文以秘鲁上升流同一环境中分离的、不同基因型且钙化表型存在差异的赫胥黎艾氏藻PERU41和PERU46为研究对象，探究两株藻在低pH和铁限制条件下的响应机制的差异。相对于世界海洋的平均pH（8.1），该海域的海水pH低于大洋平均pH（pH=7.9，最低7.65），虽然得益于上升流带来的丰富营养盐，但是周期性的厄尔尼诺能够使秘鲁上升流海域的生物可利用铁严重降低。因此这两株赫胥黎艾氏藻是本文研究低pH与铁限制影响的理想模式。两株赫胥黎艾氏藻在设定的pH梯度（8.2、7.8、7.5和7.2）下培养至细胞密度达到5×104 cells/mL后测定并比较细胞钙化生理参数和转录组基因表达的差异。研究发现，两株藻在pH7.2的条件下钙化水平和生长表现差异显著。扫描电镜、碳酸盐化学及颗粒碳结果都支持PERU41具有更高的钙化水平。PERU41中可能的钙化基因上调而且不同pH组间较少的差异表达基因，说明它通过调控基因表达维持钙化且更耐受低pH。而PERU46较高的生长率和转录水平DNA复制相关基因的上调证明它在增殖方面的优势。本文推测不同基因型的赫胥黎艾氏藻在长期的适应过程中可能产生了不同的生存策略，尤其是在低pH胁迫下：α进化枝的PERU41可能采用K策略，钙化水平较高，生长率较低，将更多的能量用于钙化作用；β进化枝的PERU46采用r策略，钙化水平较低，生长率较高，倾向于将更多的能量用于增殖。其中PERU41在低pH条件下可能存在一种能量权衡机制，低pH可能会增加细胞对能量的需求，同时为了维持耗能的钙化作用，导致能量代谢的增加，此时细胞选择以“牺牲”部分繁殖能力为代价，上调大量参与能量耦合的跨膜运输的基因。而PERU46在低pH条件下仍将能量用于增殖并且通过上调“DNA修复”相关基因来克服低pH对增殖造成的负面影响。最后，鉴于基因型和pH对钙化表型的影响，本论文通过比较不同样本的差异表达基因及其功能，并结合以往的研究，提出了钙化过程的细胞模型。同时列举了可能的钙化相关基因。ABC转运蛋白，囊泡H+-ATPase，Stx1-4，VAMP7，SNARE同源物在后续钙化相关基因的研究中值得注意。五种铁浓度（0、50、100、500、1000 nM）未对两株藻的生长产生显著影响，但0 nM时PERU41的比生长率显著高于PERU46。随着铁浓度的降低，两株藻细胞粒径和体积减小，最大电子传递速率和表观光能利用效率降低，在100 nM时出现最大值。周期性的厄尔尼诺能够使秘鲁上升流海域的生物可利用铁的剧烈变化使得赫胥黎艾氏藻在高铁与低铁条件下实现了长期适应。但是色素与叶绿素荧光结果表明它们在铁限制下的光保护机制存在差异：PERU41在低铁时类胡萝卜素显著高于PERU46，而非光化学荧光淬灭（NPQ）反之。推测PERU41可能通过叶黄素循环以及高度钙化的外壳实现光保护，而PERU46通过更多其他形式的非光化学荧光淬灭的手段。之后进一步利用铁（高铁100 nM，低铁0 nM）与光（强光300 μmol/m2/s1，弱光20 μmol/m2/s1）耦合来研究赫胥黎艾氏藻的钙化作用对铁限制的可能响应。研究发现光照对颗石藻光合作用的影响要大于铁。弱光条件下细胞可能通过增加光合色素来增加光捕获，而弱光低铁耦合下非光化学荧光淬灭显著升高。相比于弱光条件，强光下细胞色素显著降低。PERU46在高光缺铁时保持了较高的PSII最大光化学效率和有效光化学效率、最大电子传递速率及表观光能利用效率，表明其对强光的耐受性，及光合结构中可能相对较低的铁含量或者细胞内维持电子传递的补偿机制的存在。而PERU41在高光缺铁下PIC/POC显著升高，且Fv/Fm、POC含量在强光下显著降低，表明其在强光条件下光合作用受到抑制。两株藻对于光照的耐受程度不同。铁限制加强光的环境条件并没有像推测中那样刺激钙化作用增强来实现对细胞的光保护，相反地，PERU41和PERU46的颗粒有机碳的生产量和生产率分别在低光和高光下响应铁限制而显著下降，钙化作用是否直接与铁具有相关性还需进一步探究。通过以上研究，发现不同基因型的赫胥黎艾氏藻在应对海洋酸化与铁限制有着不同的适应策略，提示了赫胥黎艾氏藻甚至更多颗石藻群体对气候变化的多元的适应能力。本研究对阐明颗石藻的钙化机制与缺铁适应机制的提供了新的分子证据，为颗石藻如何参与和反馈调节生物碳循环提供了新思路，具有一定的科学意义。
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/133337/28165
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出

推荐引用方式
GB/T 7714任庆敏. 不同基因型颗石藻Emilinia huxleyi对低pH及缺铁的差异响应及机制研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2021.


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