转录组水平上氮磷影响微囊藻产毒的分子机理研究

The algae and algal toxins emergence and existence has seriously affected the water quality and safety. How to control the microcystins production and safekeep drinking water is one of the key current international forefront researches on environmental science. The applicant studied the relationship between different nutrients and growth and microcystins production in Microcystis aeruginosa in early stage and demonstrated that the effect of nitrogen and phosphorus on microcystin biosynthesis. Based on the former results, with the current advanced molecular biology techniques, the project intends to investigate the transcriptome changes of Microcystis aeruginosa under different nutrient with high-throughput sequencing. The microcystin gene expression, gene number and gene differences will be analyzed under different nutrient. It will be clarified that the relationship between the differences of microcystin-related gene expression and microcystins amount in different nutrients and demonstrate that microcystin biosynthesis pathway and position of microcystin-related genes in the synthetic pathway. Finally, we will explore the molecular relationship between different nutrients and microcystin production. The molecular mechanism of nitrogen and phosphorus controlling the growth and microcystins synthesis will be analyzed by transcriptome with high-throughput sequencing. The results will lay the foundation for clarifying the mechanism of nitrogen and phosphorus in the algae toxin-producing and provide scientific basis for the control and governance of toxic algae and microcystins.

富营养化水体中毒藻及藻毒素的产生和存在已严重影响了水质安全，如何控制藻毒素的产生及保障饮用水安全是当前国际上环境科学的重点前沿研究之一。申请人前期围绕着水源水中的微囊藻及藻毒素，从氮磷在微囊藻毒素生物合成过程中的作用出发，研究了不同营养盐与微囊藻生长和产毒之间的关系，明确不同含氮磷化合物对藻毒素生成的影响。在此基础上，结合当前先进的分子生物学技术，本项目拟利用高通量转录组测序技术对不同营养盐环境下的微囊藻进行转录组测序，分析在不同营养盐环境下微囊藻基因表达的种类、数量及其差异，初步明确在不同营养盐环境下藻毒素相关基因表达的差异与产毒量的关系，阐明藻毒素合成途径以及藻毒素产生的相关基因在合成途径中的位置，探讨不同营养盐与藻毒素产生的分子调控关系。从而于转录组水平上系统研究氮磷影响微囊藻生长和产毒的分子机理，为氮磷作用于藻类产毒机制的最终阐明奠定基础，为毒藻和藻毒素的控制及治理提供科学基础。

本项目针对氮磷饥饿、不同氮源（硝酸钠、氯化铵、尿素）、不同浓度尿素和磷酸盐对铜绿微囊藻生长和产毒的影响，通过藻细胞密度、叶绿素评估藻细胞生长情况，采用叶绿素荧光仪测定光合作用效率在不同氮磷环境下的响应，并且利用转录组测序技术（Transcriptome Sequencing，RNA-seq）深入分析了铜绿微囊藻在不同氮磷环境下藻毒素基因的表达情况并探究可能影响其变化的代谢途径。研究表明氮饥饿对微囊藻的生长影响较大，叶绿素和潜在最大光合作用效率（Fv/Fm）随时间一直降低，微囊藻毒素（Microcystins，MCs）含量增加后保持不变。转录组分析的结果表明参与氮代谢的相关基因表达上调，而参与光合作用途径的相关基因表达下调，所有藻毒素合成的基因均上调，这些基因的上调表达说明所有MCs基因对细胞内MCs的产生均有响应。硝酸钠、氯化铵、尿素作为氮源在不同程度上都会影响铜绿微囊藻的生长和产毒。铜绿微囊藻对氯化铵的吸收最快，但是细胞内存在过多的铵根离子却抑制了铜绿微囊藻的生长和产毒。转录组的研究结果表明，在不同氮源下，光合作用系统受到的影响最大，且尿素对铜绿微囊藻光合作用基因响应的影响大于硝酸盐和氯化铵组；参与藻毒素合成的基因在尿素（0.23~1.60 Log2FC）和氯化铵（0.11~1.66 Log2FC）组的影响下表达上调。较高浓度的尿素会促进微囊藻生长和产毒。转录组学分析证实，大多数MCs的基因和涉及氮代谢途径的基因尿素浓度较高时表达下调（-1.38~0.66）。在磷饥饿环境中时，铜绿微囊藻生长缓慢但可以连续生长，表明磷胁迫对其生长的影响不明显，并且对微囊藻产毒量的影响也不明显。但是转录组的结果表明控制微囊藻产毒的10个mcy基因中有9个基因均呈现显著的下调表达（1.01～1.72倍），基因组的变化说明MCs的产生在一定程度上受到磷饥饿的抑制。经磷饥饿后的铜绿微囊藻再添加不同浓度的磷酸盐时，两组的生物量均呈增长趋势，同时低磷组的细胞数量略低于高磷组，但是在第11天两组几乎都到达了相同的水平。转录组分析的结果表明差异基因显著表达主要表现在磷转运、光合系统等相关的基因。