重离子辐射诱导绿藻光合系统的蛋白表达改变对生物量影响的机制研究

Heavy-ion beams have superior characteristics of high mutation efficiency and wide mutation spectrum for trait improvement in the breeding of microalgae. Remarkable changes of photosynthetic system are found from amounts of plant mutants irradiated by heavy-ion beams. However, the study on the mechanism of photosynthetic system induced by heavy-ion irradiation is seldom reported. Microalgae are the most simplest eukaryotic plant cells, for which photosynthetic system is closely related with biomass, and thus microalgae is the ideal materials to investigate the photosynthetic mechanism after heavy-ion exposure. The main research material in this project is the Scenedesmus quadricauda mutant irradiated by carbon-ion beams, featured by markedly improving biomass and resistant to high light. The inner mechanism of the influence of photosynthetic proteins on biomass will be investigated by using transcriptome technology combined with photosynthetic phenotype parameters. On the other aspect, the similarity of photosynthetic system of different green microalgae and photosynthetic biomarker after exposed to carbon-ion beams will be analyzed by using chloroplast proteomics. Building the digital link between photosynthetic proteins and biomass will lay the foundation for directed mutants breeding with high efficiency. The results obtained will provide novel sight into the photosynthetic mechanism induced by heavy-ion irradiation, and will provide new clue and basis for microalgae breeding by heavy-ion exposure.

重离子辐射用于选育突变株具有突变率高、突变谱广等优点。已获得的植物突变株很多都表现出光合系统明显改变的现象，但对重离子辐射引起光合系统变化的机理研究还甚少。微藻是最简单的真核植物细胞，其光合系统与生物量密切相关，是挖掘重离子辐射对光合系统诱变机理的理想材料。本项目拟以碳离子束辐照选育获得的生物量明显提高且具有高光抗性的四尾栅藻突变株为研究对象，利用转录组技术并结合光合表型参数，研究光合系统蛋白的表达调控对生物量显著影响的内在机制。另一方面，利用叶绿体蛋白质组学技术研究碳离子束辐照对不同绿藻光合系统影响的共性，并寻找光合系统中的生物标记物，建立光合蛋白表达与生物量之间的数字化联系，为高效定向选育突变株奠定基础。本项目将进一步丰富重离子辐射对光合系统诱变机理的认识，并为重离子诱变选育微藻提供新思路和新依据。

重离子束辐照育种在植物育种领域逐渐应用广泛，但重离子辐射引起光合系统变化的机理研究还甚少。微藻是最简单的真核植物细胞，其光合系统与生物量密切相关，是挖掘重离子辐射对光合系统诱变机理的理想材料。通过本项目的研究，在个体突变株方面，通过转录调控及光合表型关联分析发现，高生物量及高光抗性突变株S-#26在高光胁迫72h内，捕光蛋白、碳固定和碳代谢相关通路基因转录表达差异显著。并对碳代谢和捕光蛋白基因表达进行qRT-PCR验证，证明转录组数据的真实可靠。因此我们更明确了四尾栅藻光自养条件下生物量积累的重要因素除了光反应捕光天线蛋白外，碳氮流的代谢途径也需要进一步挖掘。群体水平方面，发现四尾栅藻和莱茵衣藻的主要捕光蛋白对低中剂量的碳离子辐照有较明显的辐射响应。四尾栅藻PSII捕光蛋白比莱茵衣藻的对碳离子束辐照更为敏感。因此我们找到了不同绿藻捕光蛋白对辐射响应的各自最适剂量，并摸索得到高效大批量提取类囊体膜蛋白的方法。并将以此为依据开发快速高效定向筛选高生物量突变株的新方法。第三方面，根据前期发现捕光天线大小与Chla/Chlb的关联性，添加了相应的筛选指标，因此更高比例的发现了较多生物量提高的蛋白核小球藻和莱茵衣藻突变株，建立了相应的突变种质资源库，为后续的分析提供更多的研究材料。因此，通过本项目的研究我们从个体和群体两个方面对绿藻光合蛋白表达差异对辐照响应的共性有了更深入的了解，同时又为我们今后的深入研究提供新的思路和依据。