坛紫菜两个世代对不同光质的响应方式及转录组分析研究

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坛紫菜(Neoporphyra haitanensis)是我国特有的大型经济海藻,在我国福建及浙江地区都有养殖,其营养价值丰富,是一种具有极高食用价值的天然海藻美食。坛紫菜生长在环境复杂的潮间带,光照是影响其生长最为重要的条件,光质作为光的重要组成部分对其影响很大。目前有关坛紫菜的研究主要集中在光强、温度、CO2及盐度等,但有关光质的研究比较匮乏。因此,本文以坛紫菜两个世代为研究对象,对不同光质下的生长及生理指标进行了测定,分析了不同光质对坛紫菜生长及生理的影响。此外,采用高通量测序对坛紫菜转录组进行测序,从分子水平上探索了坛紫菜对不同光质的响应机制。主要研究结果如下:(1)研究了不同光质对坛紫菜叶状体生长和光合作用的影响,结果表明:白光下叶状体的特定生长速率(SGR)和长度变化均最大,其次是红光、绿光,蓝光下的生长速率最慢。蓝光下的最大光化学效率(Fv/Fm)值要显著高于其他三种光质,而其他三种光差异不大。随着光照时间延长,蓝光下的藻胆蛋白含量均显著高于其他三种光质,蓝、绿光下叶绿素a、β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质和α-胡萝卜素的含量要显著高于红光。(2)研究了不同光质对坛紫菜丝状体生长和光合作用的影响,结果表明:通过SGR的测定及外观的形态观察,发现蓝光、白光更适合自由丝状体的生长。蓝、绿光下的Fv/Fm值要显著高于白、红光,但都处于藻体的正常范围,蓝光下的Fv/Fm值最大,说明此时自由丝状体的光合活性最大。通过细胞观察,发现蓝、绿光较红光更适合坛紫菜自由丝状体的生长。(3)对不同光质下坛紫菜叶状体进行转录组分析,发现红、绿光抑制了光呼吸途径,而蓝光下相关基因显著下调,推测红、绿光较蓝光有利于CO2的同化及藻体的生长;蓝、红光可能加快了氨同化途径,促进了氮代谢,有助于藻体面对外界胁迫。此外,蓝光下多种类胡萝卜素的合成较其他光质上调,蓝光有可能诱导了类胡萝卜素的积累,进而保护藻体免受光损伤;光合相关的基因蓝、绿光下上调,推测藻体通过提高光合色素,从而使光化学速率增强。(4)通过对不同光质下坛紫菜丝状体进行转录组分析,蓝光下碳固定、糖代谢、三羧酸循环(TCA循环)、氨基酸的生物合成及光合作用相关差异基因上调表达,绿光下的大多数基因上调,红光下则表达量下降,推测蓝、绿光可能通过光合色素的积累、碳固定、糖代谢以及能量代谢,为藻体提供能量,有利于藻体的生长,同时,蓝光下还诱导了氨基酸合成相关的基因上调表达,提升了藻体的抗逆性。综上所述,坛紫菜叶状体红、绿光下光呼吸途径相关基因的调控,有利于藻体的生长,而蓝光下光呼吸、类胡萝卜素的合成及光合相关基因的调控,有利于藻体响应逆境。坛紫菜丝状体蓝、绿光下碳固定、糖代谢、TCA循环、氨基酸生物合成以及光合相关基因较红光上调表达,有利于藻体的生长,提升其抗逆性。
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