本文以生長于熱帶海域的大型藻類長心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)和低溫高原的陸生微藻喬利橘色藻(Trentepohlia jolithus)為對象,利用轉(zhuǎn)錄組測序研究手段探討它們的基因注釋和代謝途徑。一方面,詳述了長心卡帕藻在不同溫度條件下的轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果,深入研究了其假定光合作用基因及其參與的代謝過程。另一方面,分析了喬利橘色藻的轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)并討論了其碳固定和類胡蘿卜素的合成過程。長心卡帕藻是一種不抗低溫的熱帶大型經(jīng)濟紅藻,也是提取卡帕型卡拉膠的重要原料,目前對該藻在不同溫條件下分子水平的基因表達變化情況所知甚少。本研究將該藻分別在高溫(HT,34℃)、低溫(LT,17℃)和正常溫度(CK,26℃)下處理24小時后,通過Illumina HiSeq?2000雙端測序獲得約1.08億bp原始reads,將3個樣品的Clean Reads共同拼接后注釋得到11,537條非冗余unigene,最后利用Blast算法,通過與不同公共數(shù)據(jù)庫中的基因進行同源比對,分別將9,920(85.98%)和10,952(91.81%)條unigene注釋到GO Slim和EggNOG分類數(shù)據(jù)庫中。同時,通過KEGG代謝通路分析將5,015條unigene聚類到六大類生化途徑、295條KEGG途徑中。研究發(fā)現(xiàn)參與長心卡帕藻光合作用和天線蛋白表達的基因分別有48和23個,且缺失普通綠色植物中參與錳簇合物結(jié)構(gòu)形成的PsbP基因,而存于該藻的PsbU基因很可能代替之以行使功能。兩兩比較不同溫度條件下的基因表達情況,共篩選出677個差異表達基因。與常溫環(huán)境相比,低溫和高溫條件下差異表達的基因數(shù)目分別為245和183個,其中低溫下上調(diào)(下調(diào))表達的有59(186)個,高溫下上調(diào)(下調(diào))表達的有20(163)個。在此基礎(chǔ)上,重點討論了光合作用參與基因的溫度適應機制:低溫條件下,光系統(tǒng)II中3個基因(PsbO、PsbQ、PsbR)和光系統(tǒng)I的5個基因(PsaD、PsaF、PsaG、psah、psak)出現(xiàn)下調(diào)表達,未發(fā)現(xiàn)上調(diào)表達基因;高溫條件下,上調(diào)和下調(diào)表達的基因數(shù)目分別為9個和4個(psba、psbc、psab、atpf1a)。高低溫脅迫條件下,細胞色素b6/f復合體和光合電子傳遞相關(guān)基因依然穩(wěn)定表達,表明其不受溫度脅迫的影響。與此同時,不同溫度條件下葉綠素熒光動力學曲線中i和k點的快速上升印證了溫度脅迫會導致光損傷。較之低溫脅迫,高溫脅迫下基因差異表達數(shù)目更多,葉綠素熒光動力學曲線的變化幅度更劇烈,表明高溫對長心卡帕藻所造成的生理學損傷更大。本部分研究中大量光合作用和天線蛋白等相關(guān)基因的識別篩選,將促進長心卡帕藻的溫度適應機制的分子生物學研究,對篩選新變種與擴張養(yǎng)殖區(qū)域具有重要意義。喬利橘色藻是一種不抗高溫的高海拔地區(qū)陸生微藻,大量積累β-胡蘿卜素是其重要特征之一。目前針對該藻的研究主要集中在形態(tài)學、分類學、系統(tǒng)發(fā)育學和其地理分布與繁殖等方面,分子生物學相關(guān)研究相對稀少。本研究首先基于illuminahiseq?2000測序得到了41,328條unigene;然后根據(jù)nr注釋結(jié)果,將22,018(53.28%)條unigene聚類到52個go分類中,其中涵蓋了161,451個子功能分類;接著通過kegg注釋分析將26,217(63.44%)條unigene歸屬到128條生化途徑之中;最后,在喬利橘色藻轉(zhuǎn)錄組中分別檢測到5,798個ssrs和131,478個snp位點。在以上基因注釋與信息挖掘基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)c3、c4、脂肪酸及類胡蘿卜素合成代謝相關(guān)基因分別有139、157、122和99個。喬利橘色藻c固定途徑分析中,c3、c4兩種途徑中所涉及的基因都有所體現(xiàn),表明其c固定系統(tǒng)的復雜性,這種高效的固碳方式對其在高光、低溫、干旱環(huán)境下生存十分有利。類胡蘿卜素合成通路分析發(fā)現(xiàn),該藻缺失了甲醛戊酸激酶(mvk),導致其不能通過甲醛戊酸途徑(mvapathway)合成異戊二烯焦磷酸(ipp)和二甲烯丙基焦磷酸(dmapp)。相比之下,所有編碼非甲醛戊酸途徑(mep/doxppathway)相關(guān)基因中都有所體現(xiàn),使之成為類胡蘿卜素合成底物的來源。此外,將喬利橘色藻類胡蘿卜素合成路徑與其他微藻對比發(fā)現(xiàn),該藻轉(zhuǎn)錄組序列注釋基因中沒有胡蘿卜素β酮醇酶(crto),這很可能是其不能合成蝦青素的重要原因。本研究是對橘色藻目轉(zhuǎn)錄組測序的首次報道,豐富了石莼綱的分子生物學數(shù)據(jù)庫。在完成基因功能注釋的同時,碳固定、脂肪酸合成代謝及類胡蘿卜素合成通路的分析對確定喬利橘色藻的資源開發(fā)方向具有重要意義。
【學位單位】：中國科學院研究生院(海洋研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：Q943.2
【部分圖文】：

（http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/）進行質(zhì)量過濾質(zhì)控分析，通過分析序列的質(zhì)量分布箱線圖、堿基質(zhì)量分布圖、堿基和 GC 含量分布圖確認序列的質(zhì)量。分析結(jié)果以圖 2-1 形式呈現(xiàn)。

圖 2-2 長心卡帕藻低溫、對照及高溫處理下 RNA 凝膠電泳。Figure 2-2. Agarose electrophoresis of extracted K. alvarezii RNA.確定 RNA 樣品質(zhì)量合格后，將十份 RNA 樣品等量混行定量總結(jié)樣品質(zhì)量，從下表（表 2-2）可以看出，本實驗中樣

圖 2-6 長心卡帕藻 contig 長度分布。Figure 2-6. Length distribution of K. alvarezii contigs.圖 2-7 長心卡帕藻 Transcript 長度分布。Figure 2-7. Length distribution of K. alvarezii transcripts.

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本文編號：2824047