科研 | 中科院：响应光质变化的转录组和蛋白质组联合分析揭示了微拟球藻的关键适应机制
编译：王畅，编辑：Emma、江舜尧。
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光环境，包括光质、光量和光周期，与光合生物的生长和发育，特别是它们的光合作用密切相关。光不仅是光合作用的主要能量来源，也是调节植物生长和发育的信号。微拟球藻属(Nannochloropsis)是一个单细胞游藻目属，它可以在各种生境中发现，包括淡水、微咸水和海水。微球藻属因其合成大量类脂体的能力以及其高生物量生产率而广受追捧，使其成为生产食品、饲料、营养制品以及生物燃料的理想选择。在各种环境因素中，光谱的波动是影响微拟球藻生长和生理的重要参数。它似乎对不同波长特别敏感，生长和脂质含量均会受到影响。虽然目前有一些关于蓝光(BL)或者红光（RL）调节微拟球藻的生理反应和脂质参数的研究，但是对于BL或RL的一般适应机制和整个细胞的调节过程仍不清楚。本研究为了获得海洋微拟球藻IMET1对BL或RL的适应情况，系统地进行了从白光切换到蓝光或红光后转录组和蛋白质组的研究。研究强调了微拟球藻对于光质的不同反应，特别是碳、氮代谢和光合方面。此外，这些新发现揭示了微拟球藻对光质变化的关键适应机制，不仅与环境胁迫有关，而且与工业菌株培养条件的未来优化有关。
论文ID
实验设计
实验结果
1.对光质(红光或蓝光)的生理反应
为了研究光质对微拟球藻生理、生长和系统调节方面的影响，设计了从白光到红光或蓝光的培养转换试验，在0h、12h和24h取样用于生理、转录组和蛋白质组数据的测定。首先。与白光下相比，RL下的生长量减少了约14%，BL下的生长量增加了约5%。其次，利用可变荧光(Fv/Fm)方法，在紫外或紫外照射下，测定了PSII光合效率。Fv/Fm值在蓝光下高达0.623，但在蓝光下相当低：与白光下相比，蓝光下的Fv/Fm降低了约7%。第三，在黑暗中用液氧电极测定的光合作用放氧速率在早期是稳定的，并显著降低(13%；p<0.01)，但蓝光下光合放氧速率增加约7%。因此，与白光0h样品相比，光合放氧速率和生长受BL和RL的影响。
2.响应蓝光和红光的转录组分析
为了解微拟球藻对光波长变化的反应和适应，我们分析了在红光和蓝光下相对于白光的差异表达基因。用于基因序列测量的三个时间点样本包括用于基因序列测量的0h(白光)、12h(红光和蓝光)和24h(红光和蓝光)。在红光和白光下发现3138个基因差异表达，在蓝光和白光下发现2468个基因差异表达。为了验证这些差异表达基因，实时定量PCR从样本中提取RNA，通过mRNA-Seq生成转录组数据，定量PCR分析证实了六个核编码基因的差异表达结果。qRT-PCR和mRNA-Seq结果显示了每个基因的一致表达模式，表明mRNA-Seq实验是可靠和可重复的。
为了计算RL和BL下的差异表达基因(DEGs)，在BL、RL和BRL(蓝-红光)下比较每个基因的FPKM值，计算BL、RL和BRL样品中上调和下调的差异表达基因(DEGs)的数量。结果表明，受光质(RL/WL和BL/WL之和)调控的基因共有3138个(占基因总数的32%)。这3138个DEGs被分为三类，包括BL-调节、RL-调节和BL-或RL-(BRL)调节。通过分析BL和RL条件之间的DEGs，分别有497、440和2201个基因仅受BL、仅受RL和两者调节。在BL/WL下，鉴定了1741个(占总基因的17.8%)DEGs，其中373个基因被上调，1368个基因被下调。在RL/WL下，观察到1704个(占总基因的17.5%)DEGs，其中393个基因上调，1311个基因下调。所有这些结果表明，微拟球藻通过调节其全基因组转录对RL和BL有多种响应。
3.响应蓝光和红光的蛋白质组分析
通过电喷雾串联质谱联用（UPLC-ESI-MS/MS）发现，重复间的生物重现性很高(平均皮尔逊相关系数为0.81029)，总共鉴定出2904个蛋白质序列。蛋白质组在白光处理0h和红光或蓝光处理12h和24h的样品中进行比较，每个样品作为三个生物重复。在蛋白质组数据集中，每个样本中平均有8200个肽被识别并与大于1900个蛋白质匹配。
为了检测差异调节蛋白，在BL、RL和BRL样品中计算上调和下调的差异调节蛋白的数量。在BL暴露的细胞中，鉴定出422个(约22%)DEPs，其中81个蛋白上调，341个蛋白下调。在仅含RL的样品中，鉴定出422个(约22%)DEPs，其中78个蛋白上调，344个蛋白下调。这些结果表明，微拟球藻将在全基因组水平上调节其蛋白质表达以响应RL和BL。
4.转录组和蛋白质组的聚类和基于功能类别的分析
关于转录组，3138个转录组在三个时间点上形成了九个簇(TBC：转录物-蓝色簇和TRC：转录物-红色簇)。为了探究给定的模式是否与任何特定的功能相关联，将每个聚类中注释的基因手动分类为14个功能类别，每个聚类中最大的类别(未知基因除外)被指定为其主要功能基因。在TRC1和TBC1中，12h峰富含脂质代谢、碳氮代谢和蛋白质合成的功能，而在12h和24h，脂质代谢、碳氮代谢和蛋白质合成并没有显著上调或下调。TBC4、TBC5、TRC4、TRC5、TRC6、TRC7和TRC8的主要功能基因包括参与碳代谢、氮代谢、光采集和ROS防御系统的基因。在TRC2、TRC9、TBC3和TBC9中，这些簇均呈下调趋势，我们发现与DNA/RNA合成和基因表达相关的基因以及与蛋白质合成和修饰相关的基因富集程度较高。光合基因在TBC6、TBC7和TBC8中富集，12h时出现显著下调，24h出现反弹调控。
蛋白质组也进行了功能聚类分析。仅考虑唯一确定的蛋白组，根据我们之前的方法，共观察到代表1965个蛋白标本的6个聚类。将两种光质与白光参比(即红光vs白光或蓝光vs白光)进行比较，可以发现调控蛋白的数量随时间增加，并在24h达到峰值。经MeV软件的k-means算法识别，调控蛋白形成了六个主要的簇(PRC：蛋白-红簇和PBC：蛋白-蓝簇)。为了验证给定的模式是否涉及到任何特定功能，每个簇中的蛋白质组被划分为14个功能类别。在六个组中，最大的组是与碳/硝基代谢、光合作用或蛋白质合成有关的蛋白质。PRC1和PBC1中最大的基团是代谢(包括氨基酸、碳氮代谢)、光合作用、色素合成和ROS系统。在PRC3和PBC3中，最大的基团是蛋白合成，在12h和24h下调；在这里，与氨基酸代谢有关的酶尤其受到影响。在PRC4和PRC5中，碳/氮代谢蛋白表达上调。PRC4中最重要的调控酶来自碳代谢和蛋白质合成。在PRC6中，受影响的主要是碳代谢和光合作用的酶。PBC6在12h和24h出现碳氮代谢和色素合成相关蛋白基团的上调，这些蛋白基团主要是叶绿素合成、类胡萝卜素合成、柠檬酸循环和ROS胁迫。
为了挖掘转录组和蛋白质组之间功能类别的关系，对转录组和蛋白质组的时间序列动态进行了比较。结果表明，尽管转录组总体上差异较大，但它们大多是一致的(图1)。例如，在光合作用和色素合成代谢中，转录组1(log2(FPKM) / log2(LFQ))在12 h的上调与24h相比是显而易见的，尽管在RL和BL下的蛋白质组中没有。DNA、RNA和基因表达组(包括蛋白质合成、修饰、折叠和翻转)在12h对转录组表现出下调，而在24h对RL和BL下的蛋白质组表现出下调。在BL和RL条件下，在转录组中色素合成和光合代谢均在12 h和24h上调，而蛋白质组在12h上调。
图1 红光和蓝光下微拟球藻表达值概述
mRNA-Seq(左)和蛋白质组学(右)的基因表达值概述，样本按三个时间点分组。这些数据代表了分配给选定功能类别的基因(FPKM：每千碱基百万个片段)和蛋白质(LFQ：无标记定量)的表达值的平均值。
5.红光和蓝光对碳固定和中枢碳代谢的影响
为了探究红光或蓝光对中枢碳代谢的影响，我们首先分析了这些途径的转录物和蛋白质丰度，包括碳浓度机制(CCM)、卡尔文-本森循环、丙酮酸旁路循环(PDHC)、乙醛酸循环、糖酵解和糖异生。一些参与类似C4代谢的基因表现出差异调节，包括磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCKg6884)，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCaseg5140)、丙酮酸磷酸二激酶(PPDKg3407、g5453和g5454)、苹果酸脱氢酶(MDH；g9301)和苹果酸酶(ME；g2252和g8325)。例如，在暴露于RL和BL的条件下，PEPC、PEPCK、MDH和PPDK的转录物和蛋白质表达显著地表现出下调(图2)。尽管在RL和BL条件下观察到ME转录物的上调，但是在两种条件下蛋白质都降低了(图2)。因此，类似C4代谢在RL或BL下呈下调趋势。
其次，在微拟球藻的蛋白质组中鉴定出与卡尔文-本森循环相关的核酮糖-1，5二磷酸羧化酶/加氧酶的两个亚基(RuBisCO大亚基：9853和RuBisCO小亚基：9854)。其中，在RL处理的12h期间，小亚基在细胞中减少了0.42倍(图2)，而大亚基没有变化。RuBisCO活化酶(cbbX；g1915)的蛋白质丰度在BL处理的12h内显示出轻微的下调。在从白光转换到红光或蓝光后，在转录水平上观察到的NADPH依赖性甘油醛3-磷酸脱氢酶(GAPDH)的增加与微拟球藻中较高的GAPDH蛋白表达非常一致。值得注意的是，在红光或蓝光处理12h时，磷酸甘油酸激酶(PGK)的表达显著增加。此外，卡尔文-本森循环的其他酶包括核酮糖磷酸3-差向异构酶(g4929)、磷酸丙糖异构酶(g74)、果糖-1，6-二磷酸醛缩酶(g1829)、果糖-1，6-二磷酸酯酶(g3735g4275g4698)在蛋白质水平上显示出在RL或BL下24h显著下调的趋势。然而，核糖-5-磷酸异构酶(g259)在12和24h在RL或BL下在蛋白质水平上调。可以得出结论，相对于白光适应的细胞，红光(或蓝光)处理的细胞的卡尔文循环活性可能增强。
图2 红光和蓝光下微拟球藻碳代谢的调控动态
转录物和蛋白质的折叠变化通过热图在不同时间点显示。Loget(log2倍数变化)值是通过FPKM值(针对mRNA序列)和无标记定量(LFQ；蛋白质组数据)。
第三，对于糖酵解和糖异生代谢途径，相对于白光适应细胞，在RL(或BL)处理的细胞中发现了相反的转录调节。在红光和蓝光(分别为PFK、PK和FBP)下观察到12h和24h时磷酸果糖激酶(PFK；g1526和g7865)有显著下调。然而，由于包括异柠檬酸裂解酶(g8450)和苹果酸合酶(g439)在内的两种关键酶都通过强转录下调对RL-或BL-处理作出反应，因此可能存在一个功能性乙醛酸循环。这一结果表明乙醛酸循环也受光质的调节。
6.光质对氮代谢的影响
为了研究红光和蓝光对植物氮素吸收的影响，首先分析了植物的主要氮素代谢。微拟球藻在RL条件下优先利用硝酸盐进行氮同化，而其他氮素(包括尿素、铵、谷氨酰胺和精氨酸)在红光和蓝光下均可利用。结果表明，在光照12h(或24h)，RL对硝酸还原酶(g7988)的表达量均高于BL对转录本和蛋白水平的表达量。在RL条件下，硝酸还原酶基因在RNA水平和蛋白水平上分别上调约1.6loget和1.3loget(图3)，而在BL条件下，在蛋白水平上下调约1.1loget。同样，硝酸盐高亲和转运蛋白基因(g7989)在暴露于RL12h后即刻表达增加约2loget，在暴露于BL后表达略有上调约0.5loget(图3)。而蛋白质组学没有检测到该蛋白。在RL或BL下，铁还蛋白亚硝酸盐还原酶(g3438)基因的转录本水平升高约2.2loget(图3)。
图3 红光和蓝光下微拟球藻氮代谢的调控动态
转录物和蛋白质的折叠变化通过热图在不同时间点显示。Loget(log2倍数变化)值是通过FPKM值(针对mRNA序列)和无标记定量(LFQ；蛋白质组数据)。
在氮素利用方面，与尿素、氨、谷氨酰胺和精氨酸转运和同化有关的基因或蛋白也与氮素利用有关。与尿素转运相关的编码尿素/钠离子高亲和力转运体(g6410)的基因在RL和BL作用下12h后显示转录上调(图3)。脲酶基因转录本(g913和g914)在RL和BL条件下24h下降(图3)。此外，在微拟球藻中注释了三种预测的脲酶受体蛋白，它们负责脲酶的激活。其中，脲酶辅助蛋白(ureH；g9337)显著降低了约1.7loget，然而，另外两种脲酶辅助蛋白(ureD和ureGg；8006和g3595)在转录水平上没有表现出变化。在这两种情况下，蛋白质(g3595)的丰度都降低了约1.7-~1.8loget(图3)。基于这些结果，尿素的利用会受到RL或BL的影响。
关于微拟球藻尿素循环，氨甲酰磷酸合酶亚基(CBPS；g9291)参与了l-Gln向氨基甲酰基l-磷酸的转化，在暴露于RL后12h，在转录水平上表现出约1.1loget的上调。其他上调基因包括鸟氨酸转氨甲酰酶(OTB；g1074)，氨基甲酰磷酸合酶(CPS；g1666)、精氨酸琥珀酸合酶(ASS；g9579)、精氨酸酶(ARG；g2649)，精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL；g281)，鸟氨酸脱羧酶(ODC；g9591)。在RL或BL下，下调转录物包括鸟氨酸转氨酶(OAT；g2594)和鸟氨酸脱羧酶(ODC；g9591)。其中CPS和ASS在RL下表现出明显的上调，而ARG和ODC在BL下的12h和24h表现出上调。在蛋白质水平上，观察到在RL和BL下，CPS表现出显著的上调，而ASL表现出显著的下调。此外，有两个基因编码铵转运蛋白(g6291和g7791)。一个(g6291)在RL下显示轻微上调(约0.9loget)，另一个(g7791)在两种条件下均显示1.3log et上调(图3)。因此，铵转运蛋白(g6291)可能对RL有特异性反应。谷氨酰胺合酶(GS；g691)是GS-GOGAT循环的第一种酶，结合Glu和氨产生Gln。该基因在RL下表现出约1.0loget的上调。谷氨酸合酶(GSN)的转录本和蛋白质丰度(GSN；g4703)在RL和BL下略有增加。另外一个参与氮同化并受RL和BL负调控的基因是天冬酰胺酶(g1882)，负责天冬酰胺向氨的转化。
7.光质改变了光捕获和光合作用
为了研究不同光质对光合作用的影响，对光系统、光捕获系统和叶绿素生物合成的基因或蛋白质进行了分析。首先，我们发现在RL下观察到光系统ІІ转录物的显著增加。例如，编码光系统ІІ氧进化复合蛋白PsbP(g1840)、光系统ІІ反应中心M蛋白(g3775)和光系统ІІ外源蛋白(g5071)的基因在暴露于R1下显示出约1.0loget的转录增加。编码叶绿体光系统ІІU前体的基因(PsbUg8119)在暴露于RL的24h时在转录水平上显示出约2.5loget的增加，然而，在BL下仅显示出轻微的增加。不一致的是，光系统ІІ释氧复合蛋白(g4663)的蛋白质丰度在暴露于RL或BL下降低了约0.6loget，但其转录本不受影响。此外，光系统ІІ稳定性/组装因子HCF136(g10097)的转录本在R1和BL两种处理下均增强。其次，对光捕获复合体(LHC)超家族进行了系统发育分析，包括所有的微拟球藻天线蛋白。有四个主要的LHC群：LHCr型蛋白质、LHCv(VCP)蛋白质、LHCx蛋白质和LHC蛋白质。暴露于BL或RL时，一些基因或蛋白质在RNA或蛋白质水平上表现出显著不同的调节。例如，在转录水平上，大多数LHC基因(包括g4156、g2628、g5628、g3077、g1251、g5629、g9733、g4625、g240、g5950、g9514、g503和g6882)仅在RL下24h后唯一显示约1.0-2.1loget上调(图4)。而且，LHC基因的转录本(g6113和g9713LHCx型)在RL和BL下均增加约1.0–2.1log et。在蛋白质水平上，我们观察到LHC蛋白(g1251、g2628、g3077、g4625、g4928、g503、g5628、g5629、g5950和g6882)增加了约1.0–2.1log et，LHC蛋白(g9733)在RL和BL下均减少了约1.0loget(图4)。值得注意的是，在辐射暴露24h后，LHC蛋白g240的丰度仅增加了约1.0loget。此外，两种LHC蛋白(g6857和g6882)的丰度在暴露于BL24 h后仅增加了约1.0loget(图4)。
图4 红光和蓝光下微拟球藻集光复合体的动态调节
转录物和蛋白质的折叠变化通过热图在不同时间点显示。Loget(log2倍数变化)值在红色/白色或蓝色/白色下通过FPKM值(对于mRNA-序列)和无标记定量(LFQ；蛋白质组数据)。
由于叶绿素对光合作用、光捕获和能量转导是必需的，我们分析了它们在不同光谱下的代谢途径的调节。在微拟球藻中只有叶绿素a(Chla)，缺乏叶绿素b，因此描述了这一途径(图5)。关于叶绿素生物合成，所有与叶绿素生物合成相关的同源物都存在于微拟球藻中。谷氨酰tRNA合成酶(GluTS；g177)和谷氨酰tRNA还原酶(GluTR；g7608)在BL和RL下上调约1.0loget(图5)。然而，谷氨酸1-半醛氨基转移酶(GSA-AT；g4171)仅在RL下进行调节(图5)。同样，卟啉原合酶(PBGS；g6769)和卟啉原脱氨酶(PBGDg75)仅在核糖核酸水平的RL下上调(图5)。尿卟啉原ІІІ合酶在核糖核酸和蛋白质水平下均无差异表达。尿卟啉原ІІІ脱羧酶类参与尿卟啉原ІІІ的逐步脱羧生成粪卟啉原，有两种旁系同源物(UROD；g865和g9794)。其中，UROD(g865)在12 h和24h在RL和BL下均表现出1.1loget的上调，但在蛋白质水平上表现出下调。原卟啉原氧化酶(PPOX；g3231)在BL和RL下在蛋白质水平上显示1.2-loget上调。在微拟球藻中，镁螯合酶由三个亚基组成(CHLI；g6704，CHLD；g2511和CHLH；g5867和g7040)。其中，在RL和BL条件下，CHLD和CHLH(g7040)的转录本增加，而且CHLH的蛋白质丰度也增加。叶绿素合成酶(g4856)的转录本在RL下显示约1.3-loget上调(图5)。参与类胡萝卜素生物合成的基因的差异表达转录物和蛋白质水平在微拟球藻IMET1中被鉴定(图6)。在蛋白质水平上，在蛋白质组数据中观察到三种蛋白质(图6)。
图5 红光和蓝光下微拟球藻叶绿素生物合成的调控动态
转录物和蛋白质的折叠变化通过热图在不同时间点显示。Loget(log2倍数变化)值通过FPKM值(对于mRNA-序列)和无标记定量(LFQ；蛋白质组数据)。
图6 红光和蓝光下微拟球藻类胡萝卜素生物合成的调控动态
红光和蓝光下的海洋。转录物和蛋白质的折叠变化通过热图在不同时间点显示。Loget(log2倍数变化)值通过FPKM值(对于mRNA-序列)和无标记定量(LFQ；蛋白质组数据)。
茄红素（PS；g6239）负责类胡萝卜素合成中第一步牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸的茄红素合成酶的合成。它在RNA或蛋白水平下，在BL12 h和24h上调(约0.6loget)。然而，它在RL下没有显示出显著的上调。编码茄红素去饱和酶的基因(PDS；g2675)，参与了从茄红素转化为9，15，9′-三-顺式-ζ-胡萝卜素的前两个去饱和反应，它在RL和BL下表现出轻微的上调(图6)。接下来，该顺式-ζ-胡萝卜素通过ζ-胡萝卜素去饱和酶(ZDS；g6373)再次脱氢；这又引入了两个双键，产生了7，9，7’，9’-四-顺式-番茄红素。然而，该ZDS基因仅在12h时被蓝光诱导，并且基因表达在红光辐射期间没有改变。编码番茄红素β环化酶的基因(LCYB；g4686)，负责β-类胡萝卜素的形成，在12h和24h下，BL和RL条件均表现出显著的上调(>1.0loget)。此外，叶黄素循环存在于微拟球藻中，参与该循环的黄质是微拟球藻的重要辅助色素。因此，该途径的表达调控也在BL和RL条件下进行了探讨。在叶黄素循环中，位于类囊体膜相对两侧的两种不同的酶，紫黄质脱环氧化酶(VDE)和玉米黄质环氧化酶(ZE)，通过黄嘌呤参与紫黄质到玉米黄质的两次连续深度氧化，以及反向环氧化反应。在微拟球藻中，有三个VDE，包括g76、g5125和g5829以及一个ZE(g6855)。在三种VDE中，只有g5125在BL下12h在RNA水平上调约1.0loget。此外，ZE(g6855)的转录本在BL下12h上调(图6)。而蛋白质组数据中没有发现相应的蛋白质。
8.参与氧化应激的基因或蛋白质的差异调节
光合生物，包括微藻，已经进化出高效和通用的清除系统，以消除光合作用的光反应产生的活性氧(ROS)。在微拟球藻中，存在许多清除机制，包括超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化还原酶Q(PRXQ)、谷氧还蛋白(GRX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、硫氧还蛋白类(TRX)、铁氧还蛋白类(Fds)和过氧化氢酶(CAT)、线粒体替代氧化酶和乙醛酸系统。在转录水平上，一些编码硫氧还蛋白的基因(g225、g9489和g9976)在红光照射下24h分别上调1.9、1.4和1.1loget。然而，其他同样编码硫氧还蛋白的基因(g3209，g9869)在红光和蓝光照射下被下调。超氧化物歧化酶(SOD)基因(g2984)在RL下转录上调，而g7580(SOD)在BL下转录上调。值得注意的是，定位在过氧化物酶体中的过氧化氢酶(CATs)是第一个在高等植物中发现并被表征的清除过氧化氢的抗氧化酶。然而，该基因(g4037)在IMET1中不受光质调节，这可能表明微拟球藻利用其他系统来处理ROS。通常，铁氧还蛋白(Fds)作为叶绿体中的电子分布中枢，有助于氧化还原调节和抗氧化防御。在RL或BL下，几个Fds(g2604，g2687，g4849，g5722，g9442)表现出差异调节。例如，Fds(g2604，g2687，g4849，g9442，g9450)显著上调，而Fd(g5722)显示下调。编码过氧化还原蛋白Q(PRXQ；g6580)在WL-RL(或WL-BL)转换后，参与活性氧清除系统的这些基因表现出一致的上调。蛋白质组分析也表明这些蛋白质(硫氧还蛋白(Trx与ROS解毒相关的g494、g6714、g8685、g9335、g225))、铁氧还蛋白还原酶(g2053)、过氧化铁氧还蛋白(g1034、g1090、g5369)和谷胱甘肽过氧化物酶(g1970、g2622)在RL和BL暴露下下调约0–1.8loget。谷胱甘肽过氧化物酶(g2749)蛋白在BL下上调0.3loget。此外，APX在RL和BL下上调。
此外，丙酮醛途径是一些原核生物和高等植物中发现的糖酵解的分支，它将葡萄糖转化为丙酮醛，然后通过乙二醛酶系统转化为D-乳酸，此外，D-乳酸通过D-乳酸脱氢酶转化为丙酮酸。丙酮醛是一种活性氧，其转化酶也存在于微拟球藻中，可能具有重要的抗氧化功能。具体来说，乙二醛酶系统由两种酶组成，乳酰谷胱甘肽裂解酶(乙二醛酶I，g6931和g6489)和羟基酰基谷胱甘肽水解酶(乙二醛酶II，g832)，它们在谷胱甘肽存在下协同作用，将各种α-酮醛转化为羟基酸。乙二醛酶I(g6931)和II(g832)的转录表达在RL下24h分别上调了1.1和1.3loget。在蛋白质水平上，乙二醛酶I(g6931)也由BL诱导。而乙二醛酶II(g832)不受BL调控。D-乳酸脱氢酶(g1619)在转录本和蛋白质水平的BL和RL下均在12h和24h显示出显著的下调(1.0-loget)。这表明乙二醛酶系统在RL或BL胁迫条件下赋予微拟球藻耐氧性中起重要作用。
9.光合作用适应的染色质状态调节
DNA甲基化和组蛋白修饰在表观遗传学上影响染色质状态，从而影响基因表达。微拟球藻编码了一系列与染色质调控中的DNA甲基化和组蛋白修饰相关的基因，并可能在光合适应中使用广泛的染色质状态调节。在本研究中，在转录水平上，组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶(g6753，g8975)，组蛋白去乙酰化酶(g9027)和组蛋白伴侣ASF1(g6784)在RL和BL下显示出显著的下调，然而，组蛋白去乙酰化酶(g7763)显示出上调。在蛋白质水平上，组蛋白去乙酰化酶(g2870和g9190)在RL和BL下表现出轻微的下调。各种赖氨酸脱乙酰酶、甲基转移酶和去甲基化酶与这些组蛋白共表达，并可能调节核小体的形成。组蛋白H2A(g7083)的转录表达和H2B(g10115)的蛋白表达在R1和BL下一致较低。这些参与表观遗传调控的基因可能与细胞分裂增加、营养清除和沉默有关。它们的动态表达表明染色质重塑对于控制微拟球藻的基因表达是普遍的。
结论
利用基于基因序列的转录组学和定量蛋白质组学方法，结合生理生化分析，系统研究了海洋微绿球藻对蓝光和红光光谱的响应。我们已经证明，中枢碳代谢、氮代谢、光系统、集光复合体、类胡萝卜素代谢、活性氧清除系统、蛋白质合成和染色质调节参与了微拟球藻对光质胁迫的响应。与蓝光相比，红光可能更大程度地刺激类胡萝卜素代谢和ROS清除。此外，观察到两种仅由蓝光诱导的集光复合蛋白。这些系统的数据将为微拟球藻对光质变化的光感、光保护和光合作用适应机制提供新的见解。