热胁迫下珊瑚藻钙化响应及其调控机制研究

The coralline algae (Rhodophyta, Corallinaceae) play critical ecological roles including constructing and consolidating reef by contributing significantly to calcium carbonate deposition through calcification in coral reef ecosystems. However, the calcification of coralline algae is predicted to decrease due to ocean warming, which would further cause loss of reefs. So far, the potential and mechanism for effects of ocean warming on calcification remains largely unexplored. In this study, we investigated the effect of thermal stress on calcification in coralline algae, widely distributed in Hainan Island, China, by observing microstructure, calcification rate, skeletal features, etc. Furthermore, RNA-seq, combined with iTRAQ were undertaken on coralline algae to identify genes and proteins potentially implicated in the calcification process. The roles of these differential genes and proteins in the calcification process were further investigated to illustrate the mechanism accounting for the effect of thermal stress on calcification. This study is the first exhaustive exploration of transcriptomic and proteomic response of coralline algae to thermal stress, which will significantly deepen our understanding of calcification process, and promote further study on the recruitment of coral reef.

珊瑚藻是一类主要的造礁生物，它能通过钙化作用参与建造和稳固珊瑚礁体，在珊瑚礁生态系统中具有重要作用。但是海水温度的升高，正逐渐影响珊瑚藻的钙化生长，导致造礁过程减缓甚至停止，并可能进一步引起珊瑚礁生态系统退化。然而关于热胁迫对珊瑚藻钙化作用的调控机制至今仍不清楚。本项目选择珊瑚藻为研究对象，系统分析热胁迫下珊瑚藻钙化率、微观结构、骨架结构及组分的变化规律，明确热胁迫对钙化作用的影响。利用RNA-seq和iTRAQ技术分析珊瑚藻响应热胁迫过程中基因与蛋白表达水平的变化，筛选与钙化过程紧密相关的差异表达基因和蛋白质，并通过与GO、COG、KEGG 数据库比对进行功能注释，分析其功能及所涉及的钙化作用信号通路。对转录组和蛋白质组之间的表达关系进行关联分析，从分子水平上阐明热胁迫对珊瑚藻钙化的调控机制，为今后开展珊瑚礁生态保护与修复工作提供理论指导。

珊瑚藻是海洋生态系统中一类主要的造礁生物，它能通过钙化作用参与建造和稳固礁体，在海洋生态系统中具有重要生态功能；同时，珊瑚藻也是一类易受到环境变化影响的钙化海藻。目前，关于热胁迫对珊瑚藻钙化生长的影响尚不明确，其涉及内在调控机制仍不清楚。本项目采用形态学和分子生物学方法对珊瑚藻进行了分类鉴定，并通过添加外源植物激素和调节水质等建立了钙化海藻人工培育方法。基于此，选取脆叉节藻（Amphiroa fragilissima）为研究对象，系统分析热胁迫下藻体的生长速率、光合速率、形态结构及钙化速率等生理参数变化。结果表明在温度适当的增加能够促进脆叉节藻的生长；当温度增加到高于采样点年平均温度5℃时，脆叉节藻虽能继续生长，但生长及钙化速率受到明显抑制，且藻体色素层Ca含量显著降低；当温度高于采样点最高温度1℃时，藻体出现白化。类似地，光照强度的增加也会对脆叉节藻生长钙化等生理过程产生显著的负面效应，当光照强度高于80μmol photons m-2s-1时，藻体生长速率及钙化率显著下降，推测处于潮间带的珊瑚藻可能更易受到热胁迫的影响。采用组学方法探究了脆叉节藻响应热胁迫过程中基因与蛋白表达水平的变化，初步阐明脆叉节藻对高温胁迫的响应机制。结果表明在高温胁迫下，与光合作用相关的多个基因（Psb A，Psb P，F-type H+-transporting ATPase）的表达量显著下调，而在PSI和光合电子传递通路中未检测到差异表达基因，推测高温胁迫下D1和OEC受损，从而抑制光合电子传递，导致光合速率下降。此外，高温胁迫下，CAMK、CDPK、CAM以及编码alpha-catenin、真核翻译起始因子和碳酸酐酶的基因发生显著变化，但这些差异基因是否与钙化直接相关还有待今后研究。本项目研究结果将有助于深入探究珊瑚藻钙化机制，预测未来气候变化对钙化生物的影响，为今后开展珊瑚礁生态保护与修复工作提供理论指导。