一些自养的单细胞藻类共生在无脊椎动物细胞内,动物宿主在食物贫乏时具有明显的竞争优势。动物-单细胞藻共生体是一种科研价值较高的复杂体系,宿主细胞与共生藻之间的相容、互控、物质与能量交流等共生机制一直是相关研究的焦点。本课题组先前基于中国绿水螅(Hydra sinensis)野生型品系(即含共生藻品系)制备了中国绿水螅无共生藻品系,在此基础上本研究系统性地进行了中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间比较转录组、比较蛋白质组及比较代谢组分析,以探讨中国绿水螅对共生藻共生在分子层面的响应。主要研究结果总结如下:1.中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间比较转录组分析转录组测序获得47.73Gb Clean Data,共组装68,504条unigene,其中长度在1kb以上的unigene有14,508条。结果显示,中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间差异表达基因439个,其中表达上调基因379个,表达下调基因60个。基于439个差异表达基因总共富集到45个KEGG代谢通路,其中包括9个与糖代谢密切相关的代谢通路(其中的糖酵解和糖质新生、氧化磷酸化、碳代谢及果糖与甘露糖代谢等4个通路位于所有富集通路按富集显著性大小排序前10名内),5个脂肪酸代谢通路和6个涉及氨基酸及氮代谢的通路。另外,还富集到硫辛酸代谢(居所有富集通路按富集显著性大小排序第7名)和过氧化酶体这两个参与细胞抗氧化作用的通路。2.中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间比较蛋白质组分析采用双向电泳技术筛选出中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间差异表达蛋白斑点152个。差异表达蛋白斑点经胶内酶解、基质辅助激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)分析,得到的肽指纹图谱经Swiss-Prot及NCBInr数据库检索共成功鉴定差异表达蛋白点131个,其中有2个蛋白点没注释到功能。合并注释功能相同的蛋白质后,最终得到有效差异表达蛋白90个,其中表达水平上调蛋白质47个,表达水平下调蛋白质43个。基于差异表达蛋白共富集到30个KEGG代谢通路,其中按富集显著性大小排序排在前面的10个代谢通路中主要有两类通路值得关注,一是涉及生物免疫系统的NOD样受体信号通路,二是直接参与糖代谢的肌糖磷酸盐代谢、碳代谢、柠檬酸循环及果糖与甘露糖代谢等4个代谢通路。另外,按富集显著性大小排序排在后面的20个代谢通路中还有糖酵解和糖质新生通路及氧化磷酸化通路与糖代谢相关,鞘脂类代谢与脂肪酸代谢相关,还有2个氨基酸代谢通路。蛋白质互作分析显示参与糖代谢的肌糖磷酸盐代谢、碳代谢通路、柠檬酸循环及果糖与甘露糖代谢4个通路之间的互作水平显著,它们在代谢网络中呈现集群式连接。3.中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间比较代谢组分析运用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术共检测到的1572个物质峰(features),检测到459个物质。基于正交偏最小二乘法分析(OPLS-DA)共筛选到中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系之间差异代谢物207个。把差异代谢物映射到KEGG数据库,发现在207个差异代谢物中有88个代谢物富集到相应代谢通路,总共涉及代谢通路44个。其中,有4类代谢通路值得关注,首先是有10个差异代谢物参与的ATP结合盒式转运蛋白系统(负责细胞的生物膜内外物质转运)居所有富集通路按富集显著性大小排序的第5名,其次有22种差异代谢物分别参与10个与糖代谢密切相关的代谢通路,有11个差异代谢物分别参与6个与脂肪代谢相关的代谢通路,还有56个差异代谢物分别参与11个氨基酸及氮代谢通路。4.三个比较组学的综合分析暗示中国绿水螅对共生藻在其体内共生的分子响应基于中国绿水螅含共生藻品系与无共生藻品系间差异表达基因、差异表达蛋白质及差异代谢物的KEGG代谢通路富集分析结果暗示了中国绿水螅对共生藻在其体内共生的5类分子响应:(1)3个比较组学均富集到糖代谢相关代谢通路及脂肪酸代谢相关代谢通路。共生绿藻通过光合作用合成碳水化合物,这些碳水化合物除了提供绿藻自身营养需要外还可以传递给水螅细胞、作为水螅细胞的营养补充,前期研究显示共生藻可能是以糖类的形式传递营养给宿主细胞,中国绿水螅含共生藻品系糖代谢途径活跃可能与此相关。本研究首次揭示的中国绿水螅含共生藻品系脂肪酸代谢途径活跃提示脂类物质可能也是共生藻转移营养给水螅细胞的载体,值得深入探讨;(2)3个比较组学均富集到氨基酸及氮代谢途径,这与共生藻位于水螅细胞内部、共生藻生命活动需要的营养物质必须从宿主细胞获得有关。水螅细胞内氮代谢活跃可能与把本来要排出细胞外直至排到体外的氮废物进一步转变为可透过共生泡膜的分子或离子形式有关联,因为共生绿藻的植物性营养需要源源不断的含氮物质供应;(3)共生藻不是直接游离于动物宿主细胞质内,在其细胞壁的外围还被一层宿主细胞的细胞膜所包裹,代谢组分析富集到的ATP结合盒式转运蛋白系统应该参与了水螅细胞与共生藻间跨膜物质交流;(4)水螅细胞作为共生藻类的宿主,面临由于共生藻光合作用而使得活性氧水平升高的问题,转录组分析揭示的中国绿水螅含共生藻品系抗氧化代谢活跃可能与控制这些升高的活性氧水平有关;(5)蛋白质组分析显示中国绿水螅含共生藻品系免疫水平下调的现象反映了绿水螅细胞可能主动调低免疫水平得以容纳共生藻。