橘色藻适应低温、干燥胁迫的生理生态特征及分子调控机制

It has been showed that the aeroterrestrial microalgae are tolerant of stresses. But it remains unclear the physiological, ecological and molecular mechanisms of the adaptation to stresses of aeroterrestrial microalgae. In this study, the changes of photosynthetic and respiratory metabolisms in Trentepohlia aurea under chilling and desiccation stresses will be studied. The physiological and ecological mechanisms of the adaptation to chilling or desiccation of Trentepohlia aurea will be systemically researched. The special physiological mechanisms of the adaptation to stresses in Trentepohlia aurea will be analyzed. The key genes related to chilling or desiccation adaptation in Trentepohlia aurea will be found by comparison of control and stresses transcriptome database. And the molecular mechanisms of the adaptation to chilling or desiccation of Trentepohlia aurea will be confirmed. It will provide a more comprehensive rationalization of the mechanism of the adaptation to chilling or desiccation in aeroterrestrial microalgae, and provide theoretical and technical support for the application of Trentepohlia aurea. And it will benefit to the enhancement of the stresses tolerance in plants through the optimization of medium or genetic engineering methods.

橘色藻（Trentepohlia aurea）属于高山气生藻类，能在低温冷冻、干燥雾霭等多变和极端条件下生长，根据我们的初步结果推测其具有特殊的逆境胁迫适应机制，但是其适应极端逆境胁迫的特殊生理生态特征及分子调控机制尚不清楚。针对这一问题，本申请对比研究低温（包括零上低温和冷冻）、干燥胁迫下橘色藻光合、呼吸等代谢的运行规律，揭示其能够在极端逆境胁迫下维持正常代谢的生理调节机制，并在此基础上，着重阐述其适应低温、干燥胁迫的独特生理生态特征；同时利用转录组和数字基因表达谱技术，鉴定橘色藻中与适应低温、干燥胁迫相关的保护基因和调控基因，揭示该藻可能存在的适应逆境胁迫的独特分子调控机制。目的是全面深入地了解该橘色藻所特有的基础生物学特征与规律，丰富气生藻与植物生理学的研究内容，也为人工开发橘色藻资源积累基础资料，并以期为遗传改良某些植物以提高其抗逆性提供新的思路。

橘色藻属于高山气生藻类，能在低温冷冻、干燥雾霭等多变和极端条件下生长。针对其适应极端逆境胁迫的特殊生理生态特征及调控机制尚不清楚的问题，本课题着重阐述了其特有的适应低温、干燥胁迫的生理生态特征及其调控过程。主要结果如下： .（1）室内实验表明，干燥条件下，较高的类胡萝卜素含量、可逆下调的光合作用光吸收效率和反应中心数量可以保护橘色藻免遭强光的破坏；同时一旦复水其光合活性迅速恢复。这是其经常生活在湿润-干燥频繁更迭条件下形成的适应机制。.（2）低温条件下，较高的呼吸作用可以很好的为橘色藻提供能量及碳骨架以进行正常的代谢过程。此外，橘色藻的光合作用在低温条件下仍保持很高的活性，这不仅归因于光合电子传递链能在低温下保持很高的活性，同时光合碳同化相关的酶亦具有较强的低温抗性。.（3）野外实验表明，干燥胁迫下，橘色藻虽然主动下调了光合作用原初光化学反应和反应中心数量以免遭光破坏，但是仍可维持正常的光合作用碳同化。这是橘色藻能在干燥条件下生长的重要原因。.（4）基于Illumina HiSeq™2000测序得到了41328条unigene；然后根据NR注释结果，将22018（53.28%）条unigene聚类到52个GO分类中，其中涵盖了161451个子功能分类；接着通过KEGG注释分析将26217（63.44%）条unigene归属到128条生化途径之中；最后，在橘色藻转录组中分别检测到5798个SSRs和131478个SNP位点。.（5）发现C3、C4、脂肪酸及类胡萝卜素合成代谢相关基因分别有139、157、122和99个。橘色藻碳固定途径分析中，C3、C4两种途径中所涉及的基因都有所体现，表明其碳固定系统的复杂性。橘色藻碳固定系统的复杂性、油脂合成及类胡萝卜素合成途径的高效性对其在高光、低温、干燥环境下生存十分有利。类胡萝卜素合成通路分析还发现，该藻缺失了甲醛戊酸激酶。此外，该藻转录组序列注释基因中没有β-胡萝卜素酮化酶，这很可能是其不能合成虾青素的原因。. 以上结果有利于了解橘色藻所特有的基础生物学特征与规律，丰富了气生藻与植物生理学的研究内容，也为人工开发橘色藻资源积累基础资料。