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近日，汕頭大學(xué)海洋生物研究所洪婷、莫杰章博士為第一作者，杜虹教授為通訊作者，在《Plant, Cell & Environment》期刊發(fā)表題為《Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation》的研究論文。該研究以模式生物海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum（原核藻類，P. tricornutum）對(duì)象，置于熱脅迫（25℃，對(duì)照組為20℃）下400天（約400代），運(yùn)用多組學(xué)分析方法（包括轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)和表觀遺傳學(xué)）揭示了海洋硅藻適應(yīng)長(zhǎng)期海洋變暖（Ocean Warming, OW）的調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，海洋硅藻通過資源分配權(quán)衡（如光合作用、氮代謝、核糖體合成與翻譯、碳代謝和熱激響應(yīng)的調(diào)控）以及表觀遺傳調(diào)控（特別是組蛋白修飾H3K27me3對(duì)轉(zhuǎn)座元件的調(diào)控）以響應(yīng)長(zhǎng)期熱脅迫。易基因科技為本研究提供原核藻類ChIP-seq建庫測(cè)序分析技術(shù)服務(wù)。

標(biāo)題：Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation（多組學(xué)分析揭示了海洋硅藻對(duì)長(zhǎng)期海洋變暖的響應(yīng)策略：資源分配權(quán)衡和表觀遺傳調(diào)控）

發(fā)表時(shí)間：2025-03-30

發(fā)表期刊：Plant, Cell & Environment（PLANT CELL ENVIRON）

影響因子：IF6.3/Q1

技術(shù)平臺(tái)：ChIP-seq等

 

本研究通過基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序分析表明海洋硅藻在響應(yīng)長(zhǎng)期海洋變暖過程中，基因和轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)資源分配（如光合作用、氮代謝、核糖體合成與翻譯、碳代謝和熱激響應(yīng)）的調(diào)控與蛋白質(zhì)、碳水化合物和顆粒有機(jī)碳積累、脂質(zhì)含量降低以及細(xì)胞體積增大有關(guān)。組蛋白修飾（H3K27me3）ChIP-seq和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集的綜合分析揭示了轉(zhuǎn)座元件以及通過組蛋白修飾對(duì)轉(zhuǎn)座元件的表觀遺傳調(diào)控在P. tricornutum響應(yīng)長(zhǎng)期熱脅迫中的潛在作用。這些機(jī)制上的見解可能有助于未來對(duì)海洋變暖引發(fā)的對(duì)海洋浮游植物影響的建模和預(yù)測(cè)。

 

研究方法

1、長(zhǎng)期熱脅迫處理：將P. tricornutum培養(yǎng)在20°C（對(duì)照組）和25°C（熱脅迫組）下約400天。

2、生理和生化測(cè)量：收集藻類樣本檢測(cè)藻類生長(zhǎng)率和Fv/Fm（最大熒光效率），測(cè)定葉綠素a（Chlorophyll a, Chl‐a）含量，測(cè)定呼吸（Respiration, Rd）速率和凈光合（Net Photosynthesis, Pn）速率。收集藻類樣本檢測(cè)可溶性糖（Soluble Sugars, SS）、可溶性蛋白（Soluble Proteins, SP）、丙酮酸（Pyruvate, PA）和氨基酸含量。

3、全基因組重測(cè)序：提取藻類細(xì)胞的基因組DNA進(jìn)行全基因組重測(cè)序，并篩選出具有顯著選擇性的區(qū)域和候選選擇基因。

4、RNA測(cè)序：轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，并篩選出差異表達(dá)基因（DEGs），進(jìn)行基因富集分析。

5、染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序（ChIP-seq）：為研究H3K27me3在P. tricornutum響應(yīng)熱脅迫中的潛在作用，進(jìn)行ChIP-seq測(cè)序。進(jìn)行差異富集分析，鑒定差異peaks，并對(duì)鄰近基因進(jìn)行KEGG分析。

6、轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)：在長(zhǎng)期熱脅迫400天后，將藻類轉(zhuǎn)移到20°C和25°C兩個(gè)溫度下，進(jìn)行為期14天的半連續(xù)培養(yǎng)。分別測(cè)定對(duì)照組和熱選擇組在20°C和25°C下的生長(zhǎng)率、Fv/Fm、光合作用和呼吸作用。同時(shí)，收集藻類細(xì)胞，通過qPCR和ChIP-qPCR驗(yàn)證目標(biāo)基因的表達(dá)和富集。

 

結(jié)果圖形

（1）長(zhǎng)期熱脅迫下P. tricornutum的生長(zhǎng)和生理

在長(zhǎng)期熱脅迫的400天內(nèi)，P. tricornutum的比生長(zhǎng)率和Fv/Fm出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。熱脅迫在第7天未影響比生長(zhǎng)率，但在第134-175天顯著降低，到第400天恢復(fù)到對(duì)照水平。Fv/Fm在第7-175天顯著降低，隨后增加并在第400天恢復(fù)到對(duì)照水平。轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)表明，與對(duì)照組相比，熱脅迫組的Fv/Fm在25°C下受到抑制，而長(zhǎng)期熱脅迫后的TSe-25°C組未觀察到顯著變化。熱脅迫組的Chl-a含量在第14天顯著增加，但在第400天恢復(fù)到對(duì)照水平。長(zhǎng)期熱脅迫后，TSe-25°C組的凈光合速率顯著增加16%，而呼吸速率未受影響。研究結(jié)果表明，P. tricornutum在長(zhǎng)期熱脅迫后實(shí)現(xiàn)了光合作用的適應(yīng)。

圖1：在長(zhǎng)期熱脅迫400天期間，P. tricornutum的生理變化。分別展示了生長(zhǎng)率（a）和Fv/Fm（b）（對(duì)照組：在20°C下生長(zhǎng)的藻類，TSe：在25°C下生長(zhǎng)的藻類）。

圖2：利用互惠移植試驗(yàn)(reciprocal transplant assays)評(píng)估P. tricornutum在400天熱脅迫下的適應(yīng)性。圖中展示Fv/Fm（a）、葉綠素a（Chl‐a）含量（b）、呼吸速率（c）和凈光合速率（d）。

 

（2）長(zhǎng)期熱脅迫下的生化和形態(tài)變化

長(zhǎng)期熱脅迫后，TSe群體的細(xì)胞寬度顯著增加，而細(xì)胞長(zhǎng)度無顯著差異，表明細(xì)胞大小增加。與對(duì)照組相比，TSe處理組的可溶性糖（SS）和可溶性蛋白（SP）含量分別顯著增加了42%和26%，而中性脂質(zhì)含量顯著降低了22%。同時(shí)，丙酮酸和氨基酸含量分別顯著增加了53%和23%。此外，每細(xì)胞的顆粒有機(jī)碳（Particulate Organic Carbon, POC）和顆粒有機(jī)氮（Particulate Organic Nitrogen, PON）含量分別增加了23%和24%。

圖3：P. tricornutum在長(zhǎng)期熱脅迫400天的細(xì)胞形態(tài)變化。展示細(xì)胞長(zhǎng)度（a）、細(xì)胞寬度（b）、長(zhǎng)寬比（c）以及代表性顯微圖像（d）。

 

圖4：P. tricornutum在長(zhǎng)期熱脅迫400天能量代謝的生理化學(xué)水平變化。展示可溶性糖（SS；a）、可溶性蛋白（SP；b）、中性脂質(zhì)（c）、顆粒有機(jī)碳（POC；d）和顆粒有機(jī)氮（PON；e）的含量。

 

（3）長(zhǎng)期熱脅迫下的基因選擇（Gene Selection）

全基因組重測(cè)序結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，熱脅迫組的核苷酸多樣性（π）降低，而遺傳分化（Fst）較小。通過篩選出具有顯著選擇性的區(qū)域，鑒定了720個(gè)潛在的選擇基因。這些基因主要參與核糖體生物合成、光合作用、碳水化合物代謝和RNA剪接等生物學(xué)過程，以及碳水化合物代謝、能量代謝和氨基酸代謝等KEGG通路。

 

（4）長(zhǎng)期熱脅迫后P. tricornutum的轉(zhuǎn)錄組特征

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，熱脅迫組有1181個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），其中894個(gè)上調(diào)，287個(gè)下調(diào)。這些DEGs主要參與光合作用、基因轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制、蛋白運(yùn)輸、核糖體生物合成和熱激響應(yīng)等生物學(xué)過程，以及核糖體生物合成、同源重組、DNA復(fù)制、RNA聚合酶和光合生物中的碳固定等KEGG通路。

表1：P. tricornutum在長(zhǎng)期熱脅迫400天后，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中差異表達(dá)基因（DEGs）顯著改變（p < 0.05）的KEGG通路。Up_gene和Down_gene分別代表上調(diào)和下調(diào)的DEGs。

 

圖5：P. tricornutum在長(zhǎng)期熱脅迫下的能量代謝調(diào)控通路。藍(lán)色和紅色分別表示基因表達(dá)的上調(diào)和下調(diào)。

 

（5）基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)的綜合分析

綜合分析基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)65個(gè)基因在基因組和轉(zhuǎn)錄組水平上均發(fā)生顯著變化，其中49個(gè)上調(diào)，16個(gè)下調(diào)。這些基因包括與熱激響應(yīng)（如編碼分子伴侶Dnaj樣蛋白的hsp40a）、轉(zhuǎn)座元件（如CoDi2.2、CoDi4.2等）、核糖體和剪接體（如ddx31、krr1和ytm1）、光合作用（如編碼碳酸酐酶的can）和呼吸作用（如編碼丙酮酸羧化酶的pyc2）相關(guān)的基因。

 

（6）長(zhǎng)期熱脅迫下的組蛋白修飾（H3K27me3）

ChIP-seq分析結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，熱脅迫組的H3K27me3修飾水平在全基因組范圍內(nèi)沒有差異，但在熱脅迫組中發(fā)現(xiàn)了更多短富集peaks。在所有樣本中，H3K27me3修飾區(qū)域主要分布在啟動(dòng)子區(qū)域，并在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)±500bp處富集。與對(duì)照組相比，熱脅迫組中有735個(gè)基因的H3K27me3水平更高，而79個(gè)基因的H3K27me3水平更低。這些候選基因主要參與甘露糖型O-甘露糖的生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸的相互轉(zhuǎn)化、嘌呤代謝和植物-病原體互作等通路。綜合分析ChIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期熱脅迫下，大多數(shù)Ty1/copia轉(zhuǎn)座元件（如CoDi4.2、CoDi4.3等）在轉(zhuǎn)錄水平上顯著上調(diào)。特別是CoDi4.2的轉(zhuǎn)錄表達(dá)最為活躍。P. tricornutum的H3K27me3在轉(zhuǎn)座元件上高度富集，約40%的轉(zhuǎn)座元件被標(biāo)記。在長(zhǎng)期熱脅迫下，12個(gè)具有較低H3K27me3修飾的Ty1/copia轉(zhuǎn)座元件在轉(zhuǎn)錄水平上顯著上調(diào)。進(jìn)一步分析CoDi4.2在對(duì)照組（20°C）和熱脅迫組（25°C）培養(yǎng)14天的轉(zhuǎn)錄水平和H3K27me3修飾水平的動(dòng)態(tài)變化。與對(duì)照組（20°C處理）相比，熱脅迫組（25°C處理）的CoDi4.2表達(dá)活躍，而H3K27me3修飾水平顯著降低。此外，與25°C處理相比， 20°C處理的CoDi4.2轉(zhuǎn)錄水平受到抑制，而H3K27me3修飾水平增加。這些結(jié)果表明，轉(zhuǎn)座元件的轉(zhuǎn)錄表達(dá)可能受H3K27me3調(diào)控。

圖6：在長(zhǎng)期熱脅迫400天期間，P. tricornutum中組蛋白修飾H3K27me3對(duì)轉(zhuǎn)座元件（Transposable Elements, TEs）轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控。圖中展示了差異表達(dá)的TEs（a）以及一個(gè)聚類熱圖，顯示了某些TEs的轉(zhuǎn)錄表達(dá)變化倍數(shù)（紅色區(qū)域）和H3K27me3富集（藍(lán)色區(qū)域）（b）。

 

討論和啟示

本研究表明，模式生物硅藻P. tricornutum通過遺傳和表觀遺傳機(jī)制在長(zhǎng)期海洋變暖下恢復(fù)其光合作用效率，并達(dá)到新的代謝狀態(tài)以適應(yīng)。具體而言，光合作用固定的有機(jī)碳以減少脂質(zhì)合成為代價(jià)，更有可能被分配到蛋白質(zhì)和碳水化合物的生物合成中。值得注意的是，通過組蛋白修飾（特別是H3K27me3）對(duì)轉(zhuǎn)座元件的表觀遺傳調(diào)控可能在硅藻適應(yīng)高溫中提高遺傳多樣性方面發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。這些在遺傳和表觀遺傳水平上的機(jī)制見解可能有助于未來對(duì)海洋變暖對(duì)海洋浮游植物影響的建模和預(yù)測(cè)。除了全球變暖外，還有其他壓力因素可能在生態(tài)場(chǎng)景下影響海洋浮游植物。因此，未來對(duì)海洋浮游植物在多種環(huán)境壓力因素（例如變暖、海洋酸化、缺氧和低/高鹽度）的綜合影響下的適應(yīng)響應(yīng)和機(jī)制的研究是必要的。

ChIP-seq測(cè)序技術(shù)在本研究中的重要作用在于揭示了組蛋白修飾H3K27me3在P. tricornutum適應(yīng)長(zhǎng)期熱選擇中的潛在作用，特別是對(duì)轉(zhuǎn)座元件的調(diào)控。通過ChIP-seq技術(shù)，研究人員能夠鑒定出在長(zhǎng)期熱選擇下，H3K27me3修飾水平發(fā)生變化的基因區(qū)域，從而揭示了表觀遺傳調(diào)控在海洋硅藻適應(yīng)長(zhǎng)期海洋變暖中的重要性。

參考文獻(xiàn)：

Hong T, Mo J, Li T, Huang N, Liu W, Liang H, Pei P, Li P, Chen J, Du H. Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation. Plant Cell Environ. 2025 Mar 30. doi: 10.1111/pce.15482.