重离子辐射对绿藻的诱变效应和光合系统的损伤研究

The mechanism of radiation suggests that heavy ions radiation can not only causes the large fragment of DNA missing, but also causes membrane system and protein damaging, while the damage mechanism of the membrane system and protein is still not fully clear. Preliminary works suggested that heavy ions radiation has significant mutagenic effect on photosynthetic system of higher plants and algae. In this project, Selenastrum capricornutum is selected as research material. One aim of this project is about exploring dose and time effects of pigments and main proteins of photosynthesis system caused by heavy ions radiation. The other is about mutation strains which had significant different photosynthetic capacity and wild strain as targets, aiming at find differential express proteins related to photosynthesis system and expecting to find loci proteins of chloroplast caused by heavy ions radiation. Green algae is one of the study hotspot in the fields of the environmental monitoring and management, biological energy and environmental control and life support system (ECLSS) of manned spacecraft. And it has attracted more and more attention.In conclusion, the results of this project are a powerful supplement of the damage mechanism of heavy ions radiation from proteomic level, and also has guiding significance for higher plants breeding of heavy ions radiation.

通过对重离子辐照机理的研究发现，重离子辐射不仅会对DNA造成大片段缺失，也能对生物膜系统和蛋白质大分子造成损伤，但是目前相关损伤机理尚未完全清楚。前期工作表明，重离子辐射对高等植物和藻类光合系统有显著影响。本项目选用羊角月牙藻，首先研究辐照对绿藻光合色素及光系统主要蛋白的剂量和时间损伤效应；其次以光合能力显著变化的突变藻株为研究对象，建立其转录组特征和数据平台，挖掘与辐照光合损伤相关的代谢途径，同时寻找相关差异表达蛋白，期望找到重离子辐射对绿藻叶绿体内的蛋白作用位点。绿藻作为环境监测和治理、生物能源以及载人航天器环控生保系统等领域的研究热点，逐渐受到人们的重视，本研究将从转录组和蛋白组水平为重离子辐照损伤机理研究做有力补充，不但有助于微藻的辐照诱变选育，对重离子辐照高等植物育种也具有指导意义，同时为太空辐射对藻类光合系统的影响提供一定的理论依据，对绿藻空间应用提供相应帮助。

绿藻作为环境监测和治理、生物能源以及载人航天器环控生保系统等领域的研究热点，逐渐受到人们的重视。近几年通过重离子辐射诱变技术筛选得到多株优良藻株，但是相关损伤机理仍尚未完全清楚。本项目以羊角月牙藻（Selenastrum capricornutum）为主要研究材料，首先研究辐照对绿藻光合色素及光系统主要蛋白的剂量和时间损伤效应，发现20 Gy辐照羊角月牙藻后24 h后光合效率提高，各剂量辐照羊角月牙藻后均启动热耗散光保护机制，60 Gy辐照羊角月牙藻24 h后有较多的3Chl*产生。其次，筛选获得5株对数期叶绿素a 含量显著降低的稳定突变藻株，结果显示突变藻株光合效率、光保护能力和捕光天线主要蛋白转录水平与野生型差异显著。在此基础上，选择突变藻株Y-#19和Y-#37进行转录组学和蛋白质组学检测，并对结果进行关联分析，以期挖掘与辐照光合损伤相关的代谢途径，同时寻找相关差异表达蛋白。转录组学结果显示月牙藻突变株Y-#19对高光强胁迫更为敏感，虽然与光合系统相关的代谢途径没有发生明显变化，但是Y-#19主要代谢流和能量流都流向调控通路，碳固定相关代谢持续降低，因此导致较低的生物量积累。Y-#37中上调通路有部分类似Y-#19，但是光合系统相关代谢通路一直处于上调水平，说明Y-#37虽然也受到高光强胁迫影响，但是通过调控光合系统进行上调表达，生物量积累仍然高于Y-#19。同时蛋白质组学结果显示Y-#19检测出光合作用生物中碳固定以及光合作用相关蛋白，并且不饱和脂肪酸合成变为氮代谢，而Y-#37在叶绿体相关蛋白基础上，还通过对蛋白质进行修饰（包括棕榈酰化和泛素化等）来响应过量的高光刺激，并同时进行生物量积累。最终关联分析表明，与初始藻株Y-#CK相比，突变藻株中蛋白质修饰等相关代谢过程是高光强胁迫下藻株生理生化差异的主要原因。本研究从转录组和蛋白组水平为重离子辐照损伤机理研究提供相应的理论基础，不仅对重离子辐照微藻和高等植物育种具有指导意义，同时也为太空辐射对藻类光合系统的影响提供一定的研究依据。