绿光培养莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的生理特征与转录组学分析

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植物的生长离不开阳光,光既作为信号因子调控植物生长发育,又为植物光合作用提供必需的能量。绿光是可见光的重要组成部分,它在冠层底部与水环境中含量较高,但是目前对绿光对植物生长发育的影响机制并不清楚。本研究以模式植物莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)作为研究材料开展绿光对植物生长发育的影响并探究其机制。莱茵衣藻是一种单细胞结构绿藻,具有细胞周期短,生长速度快,世代更迭时间短,分子遗传背景简单等特点,目前基因组测序已经完成,是研究光合作用调控机制的重要模式生物。本研究首先在白光下按照一定的光暗周期培养莱茵衣藻,以达到藻体同步化的目的,然后一部分藻体转换到绿光条件下培养,以光质转换到绿光不同时间(0 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h)的藻体为材料,首先测定藻体的生理生化指标,然后进行RNA-seq转录组测序,系统探究与莱茵衣藻光质转换相关的差异表达基因,为挖掘重要光质响应候选基因提供有效依据。主要的研究成果如下:1.绿光显著影响了莱茵衣藻生长及光合生理生化特性莱茵衣藻同步化后,经光质转换12 h内测定其生物量,并测定第12 h的藻体的色素组分含量、叶绿素荧光参数及77K低温荧光光谱。结果显示,在光质转换到绿光初期,绿光样品生长速度慢于白光对照,但是后期绿光样品达到了与白光相当的生物量。在绿光环境中,莱茵衣藻的色素组分发生变化,总叶绿素含量降低,叶绿素a/叶绿素b比值降低,新黄质含量增加,推测LHCII的表达量升高,并且有未知的叶绿素类色素峰出现;光系统II最大光能转换效率(Fv/Fm)降低,伴随着光化学淬灭能力(q P)、光系统II相对电子传递速率r ETR(II)的降低,表明光系统II反应活性中心比列下降。77K低温荧光光谱结果显示,绿光环境下光系统I与光系统II的峰位未发生偏移,分别为710 nm与680 nm,但F680/F710的比值略降低,推测一部分捕光天线复合物II吸收的能量传递给光系统I,即绿光诱导了状态转换发生。2.鉴定了响应绿光的差异表达基因并构建了转录因子关于绿光响应基因的调控网络利用转录组测序技术,对光质转换后不同时间的莱茵衣藻进行高通量转录组测序,经过测序质量控制,每个样品各得到至少约2千万条的Clean Reads及3 Gb Clean Data。差异表达分析发现随着处理时间的增加,莱茵衣藻差异表达基因数目逐渐减少,表明莱茵衣藻生物体内存在某些未知的机制调整基因表达,从而适应绿光环境。对差异表达基因进行GO富集分析和KEGG富集分析,发现绿光处理显著影响了莱茵衣藻的光合作用、色素合成、代谢等途径,暗示绿光培养下的藻体生理特征会有不同。进一步利用ARACNE方法构建了TF关于绿光响应基因的复杂调控网络,579对(包含326个通路基因,17个TFs)调控对可同时被Plant TFDB鉴定的结果所支持,研究结果为阐明绿光响应机制奠定了基础。
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