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中国绿水螅(Hydra sinensis)内胚层皮肌细胞内共生有单细胞绿藻是一种有较高科研价值的特殊生物学现象,其中宿主与共生藻间的共生关系以及二者间的相容、互作、代谢流与能量流等共生机制是相关研究的焦点。本课题组前期研究中通过特殊方法制备了被“敲除”共生藻的中国绿水螅无共生藻品系,该品系能通过喂食丰年虫幼虫而长期无性繁殖和存活,这说明共生藻不是中国绿水螅存活的必要条件,而是在食物缺乏等特殊情况下共生藻可能把部分光合作用产物传递给宿主细胞作为其营养补充。为从分子生物学层面证实这个假说,本研究在0L:24D(持续黑暗)、12L:12D(在一个24h周期内光暴露12h、黑暗12h)及24L:0D(持续光暴露)等3个不同的光周期条件下培养饥饿胁迫的中国绿水螅野生型品系(即含共生藻品系),再重点对光暴露处理组(光周期24L:0D组及12L:12D组)与黑暗处理组(光周期0L:24D组)进行了比较转录组和比较代谢组分析。主要研究结果总结如下:1.饥饿胁迫的中国绿水螅对不同光周期响应的转录组分析转录组测序共获得155.7 Gb Clean Data,拼接到601,077条transcript,组装出322,881条unigene。基于unigene表达量分析,在24L:0D组与0L:24D组间筛选出32,400个差异表达基因,包括8,969个表达上调基因和23,431个表达下调基因。根据这些差异表达基因富集到384个KEGG代谢通路,有479个差异基因(164个表达上调,315个表达下调)参与26个糖类代谢通路(Carbohydrate metabolism pathway),442个差异基因(143个表达上调,299个表达下调)参与32个脂类代谢通路(Lipid metabolism pathway),380个差异基因(139个表达上调,241个表达下调)参与22个含氮物质代谢通路(Nitrogenous compound metabolism pathway)。其中,按富集显著性排序前50个代谢通路中包含10个糖类代谢通路、5个脂类代谢通路、7个含氮物质代谢通路、2个抗氧化相关通路及ABC转运蛋白系统(ABC transporter)。另外,在12L:12D组与0L:24D组间筛选出28,825个差异表达基因,包括11,198个表达上调基因和17,627个表达下调基因。根据这些差异表达基因共富集到384个KEGG代谢通路,有461个差异基因(201个表达上调,260个表达下调)参与26个糖类代谢通路,433个差异基因(181个表达上调,252个表达下调)参与33个脂类代谢通路,369个差异基因(182个表达上调,187个表达下调)参与20个含氮物质代谢通路。其中,按富集显著性排序前50个代谢通路中包含9个糖类代谢通路、4个脂类代谢通路、8个含氮物质代谢通路、3个抗氧化相关通路及ABC转运蛋白系统。2.饥饿胁迫的中国绿水螅对不同光周期响应的代谢组分析采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术对中国绿水螅24L:0D组、12L:12D组及0L:24D组进行了比较代谢组学分析,共检测到1,156个物质峰(features),定性到402个物质。再采用多维分析和单维分析相结合的方法筛选组间差异代谢物,结果表明,24L:0D组与0L:24D组间差异代谢物197个,包含31个糖类物质(26个表达上调,5个表达下调)、52个脂类物质(29个表达上调,23个表达下调)及42个含氮物质(15个表达上调,27个表达下调);基于这197个差异代谢物富集到60个代谢通路,有24个差异代谢物(23个表达上调,1个表达下调)参与9个糖类代谢通路,33个差异代谢物(25个表达上调,8个表达下调)涉及15个脂类代谢通路,54个差异代谢物(20个表达上调,34个表达下调)参与18个含氮物质代谢通路。按富集显著性排序,ABC转运蛋白系统位于这60个代谢通路的第2位、抗氧化相关的谷胱甘肽代谢通路(Glutathione metabolism)位于第3位。另外,在12L:12D组与0L:24D组间筛选到差异代谢物166个,包含26个糖类物质(18个表达上调,8个表达下调)、36个脂类物质(21个表达上调,15个表达下调)及41个含氮物质(15个表达上调,26个表达下调);基于这166个差异代谢物富集到54个代谢通路,有19个差异代谢物(15个表达上调,4个表达下调)参与9个糖类代谢通路,27个差异代谢物(16个表达上调,11个表达下调)涉及13个脂类代谢通路,52个差异代谢物(22个表达上调,30个表达下调)参与16个含氮物质代谢通路。按富集显著性排序,ABC转运蛋白系统位于这54个代谢通路的第1位、抗氧化相关的谷胱甘肽代谢通路位于第12位。3.饥饿胁迫的中国绿水螅对光暴露处理(相对于持续黑暗处理)分子响应的生物学意义转录组及代谢组分析结果显示了饥饿胁迫的中国绿水螅对于光暴露处理(相对于持续黑暗处理)有如下6个方面的分子响应:(1)糖类代谢活跃与共生藻传递其部分光合作用产物给水螅细胞以作为宿主的营养补充有关;(2)脂类代谢活跃暗示脂类物质可能也参与从共生藻到水螅细胞的营养输送,但光合作用产物(主要是糖类物质)是在共生藻中转变为脂类物质后再传递给水螅细胞、还是光合作用产物先传递给水螅细胞然后被转变成脂类物质作为营养储存尚有待研究;(3)基于差异表达基因及差异代谢物均富集到戊糖和葡萄糖醛酸内酯相互转化代谢通路(Pentose and glucuronate interconversions)是中国绿水螅体内存在糖类与脂类互相转化的直接证据;(4)含氮物质代谢活跃可能与水螅细胞要把“截留”在自己细胞质内的含氮废物(正常细胞必须把含氮废物排出细胞外)转变成既对自己无害、又能顺利传递给共生藻的含氮物质以保证共生藻作为植物必需的氮源营养物质供应有关;(5)ABC转运蛋白系统活跃从侧面证实了饥饿胁迫的中国绿水螅在光暴露处理时宿主与共生藻间存在一定规模的代谢流以维持二者间的共生关系;(6)共生藻光合作用产生的大量活性氧在共生泡较为封闭的结构中难以扩散到体外水环境,活性氧也能从共生藻被传递给宿主细胞,活性氧积累过多会伤害细胞,因此基于差异表达基因及差异代谢物均富集到的抗氧化相关通路可能参与控制和清除活性氧。