浒苔磷酸戊糖途径对高盐胁迫的响应及其关键产物的代谢流向分析

Ulva prolifera is one of the causative species of green tide, with two states-the floating thalli and attached thalli, possessing an extreme tolerance to stresses. It is an important material to study stress-resistance biology and mechanism of green tide outbreak. Our previous results showed that under high salt stress the cyclic electron flow could still maintain efficient operation, NADPH concentration increased significantly and the activity of pentose phosphate pathway key enzyme enhanced significantly. However, the intrinsic relationship among the three and their regulation mechanism are still not clear. Therefore, this project intends to analyze the source of NADPH and its effect on cyclic electron flow activity from both positive and negative aspects by determination of molecular and physiological indexes, and clarify the electron sources of cyclic electron flow further. By comparison of the transcriptomics, proteomics and key enzymes changes of different treated U. prolifera, we aim to study the metabolic pathway of pentose phosphate pathway and the Calvin cycle intermediates under salt stress, and focus on the elucidation of the metabolism flow of ribulose 5-phosphate and its cooperative relationship with synthesis of RNA. The completion of this project can not only clarify the response mechanism of U. prolifera to stress, but also provide theoretical guidance for scientific cognition of green tide.

浒苔是绿潮的主要成因种，有漂浮和固着两种状态，均具有极强的抗逆性，是研究抗逆生物学和绿潮暴发机制的重要研究对象。我们的前期研究结果表明，藻体在高盐胁迫条件下由PSI驱动的环式电子传递仍可维持高效运转，细胞内NADPH含量显著升高，磷酸戊糖途径关键酶活性明显增强。然而，这三者之间的内在关系及其调控机制仍不清晰。为此，本项目拟通过测定相关分子生理学指标，从正反两方面分析细胞内NADPH的来源及其对环式电子传递活性的影响，进一步阐明环式电子传递的电子来源；通过比对分析不同处理条件下浒苔的转录组和蛋白组以及关键酶的变化情况，研究高盐胁迫条件下磷酸戊糖途径和卡尔文循环中间产物的代谢路径，重点阐明核酮糖5-磷酸的代谢流向及其与核糖核酸合成之间的协同关系。本项目的完成不仅可以阐明浒苔对逆境因子的响应机制，而且为科学认知绿潮提供理论指导。

自2007年以来，绿潮在我国黄海海域连续多年周期性暴发，对生态环境和生态系统造成了严重影响，引起了全国乃至全世界的高度关注。浒苔是绿潮爆发的主要成因种，藻体呈现出极强的抗逆特性，所以对其抗逆研究有助于加强对生物逆境响应机制和绿潮爆发机制的认识。. 从正向和反向研究了浒苔在高盐胁迫时光合作用的变化以及磷酸戊糖途径的参与情况。藻体光合活性随着盐度的增加而显著下降，在光系统II的活性降为0时，光系统I仍可维持运转；在加入光系统II的特异性抑制剂（DCMU）之后，光系统I仍具有一定的活性，且随着盐度的增加而增强。随着盐度的增加，藻体淀粉含量下降，可溶性糖含量升高，磷酸戊糖途径的活性增强，NADPH含量增加。在盐度处理时，添加磷酸戊糖途径关键酶抑制剂（Glucm），NADPH含量没有上升趋势；在同时加入DCMU和Glucm的情况下，光系统I活性没有升高。表明在盐度胁迫条件下，磷酸戊糖途径产生的NADPH在光合电子传递尤其是环式电子传递过程中起到了重要作用，为围绕于光系统I的环式电子传递提供了电子来源。. 比较了藻体在不同处理条件下的转录组学和蛋白质组学，分析了一些重要过程如磷酸戊糖途径、光合作用、Calvin循环、核酸代谢等关键酶的变化趋势。对高盐逆境条件下不同代谢过程之间的关系进行了分析，提出了重要代谢中间产物核酮糖5-磷酸（Ru5P）的生成与代谢流向。磷酸戊糖途径将葡萄糖降解为Ru5P并转化为核糖5-磷酸（R5P），积累的R5P进行核酸的合成，RNA含量的增加有助于细胞抵御逆境，为将来的顺境做好物质合成准备。项目通过解析浒苔光合作用和磷酸戊糖途径等过程及其与环境因子的相互作用，为浒苔基础生物学研究提供了理论依据，同时为科学认知绿潮提供了一定的理论基础。