通过生态基因组学分析探索东海原甲藻的生态适应机制

The dinoflagellate Prorocentrum donghaiense forms harmful algae blooms (HABs) annually in East China Sea causing devastating ecosystem damages and economic losses. To understand the internal and external regulatory mechanisms, ecogenomic approache will be applied in this project to study the genome structure and gene expression characteristics of this species. The main objectives include 1) conducting genome survey sequencing to construct a draft framework of the whole genome and explore the associations of the genome architectural features with the propensity of this dinoflagellate to form HAB blooms; 2) identify and characterize a series of key genes involved in processes critical to HAB formation such as light harvesting and energy conversion, photosynthetic carbon fixation, N/P nutrient uptake and assimilation, cell division cycle, cell signal transduction and environmental stress reponse, determine their expression patterns under different growth conditions; 3) characterize the gene expression patterns of select traget genes from different culture conditions and analyze differential gene expression profiles from different phases of HAB blooms; 4) integrate all the acchieved data and analysis results to gain insights into the molecular regulatory mechanisms about how this species responds to environmental changes (e.g. eutrophication) and yield explosive growth to form blooms. This research will produce an unprecedented large volume of genomic data useful for elucidating mechanisms of ecological adaptation and HAB formation in this and other species of dinofalgellates.

东海原甲藻Prorocentrum donghaiense在我国东海每年形成赤潮造成严重海洋生态灾害和经济损失。为了了解其对近海环境富营养化的生态适应、进行爆发性生长的遗传学机制以及与外部环境因子的相互作用，拟采用生态基因组学技术对研究目标开展生态基因组学研究：1)基因组普查测序和构建东海原甲藻基因组初步框架结构，探索其形成赤潮的基因组结构背景；2)筛选得到与光能利用、光合固碳、氮/磷营养盐吸收、细胞分裂周期和信号传导及环境胁迫响应等赤潮形成关键过程相关基因和调控元件，确定其在基因组中的拷贝数和分布特性；3)确定关键目标基因在不同生长条件下表达水平的变化以及在现场样本中的差异表达谱；4)整合分析以上数据探究赤潮爆发时，东海原甲藻对环境变动的响应和爆发式增殖的分子遗传学机制。本研究将为揭示甲藻的生态适应机制和赤潮成因提供前所未有的海量基因组资料和生物学基础。

东海原甲藻Prorocentrum donghaiense在我国东海每年形成赤潮造成严重海洋生态灾害和经济损失。本项目以了解此藻对近海富营养化环境的生态适应、爆发性生长的遗传学机制以及与外部环境因子的相互作用为目标，以生态基因组学技术为手段，开展了一系列实验室实验、高通量测序及赤潮现场观测。结果发现东海原甲藻：1）具有大且复杂的基因组（～7.6Gbp），平均GC含量约为60%；含有超过58060条基因；2）在氮、磷营养盐缺乏条件下，细胞停滞在G1期，氮磷相关的代谢通路基因表达出现调整，表现进化适应；可以利用有机氮或有机磷源供其生长；3）细胞周期蛋白，细胞壁纤维素合成酶，光合作用天线蛋白等多个功能基因的表达与其细胞周期节律密切相关；4）具有独特的质子泵型视紫红质，能够更有效利用太阳能，很可能使其在赤潮爆发中占据生态位优势；5）microRNA是东海原甲藻对磷限条件产生适应的重要调控机制。本项目数次在赤潮期间出海进行环境参数测定及样品固定，开展宏组学分析。结果发现在浮游植物群落由硅藻优势到甲藻赤潮的演替过程中， 生物群落的Alpha多样性显著下降，赤潮种东海原甲藻的种群数量（rDNA）及生理活性（rRNA:rDNA比）显著提高，表明该藻自身较高的生长速率及生理活性是促成赤潮爆发的主因。同时，在此过程中，硅藻和甲藻面对外界环境也表现出不同的适应机制：甲藻在光能获取及磷营养盐的吸收利用上更具优势，且在赤潮爆发过程中表达防御微生物的蛋白；而硅藻具有更活跃的碳水化合物代谢及更强的利用有机氮（尿素）的能力。此外，现场宏转录组的数据还显示有性繁殖（MEI2等减数分裂基因的活跃表达）可能在东海原甲藻快速繁殖导致赤潮过程中起重要作用。通过实验证据和赤潮现场数据分析，凝练出东海原甲藻赤潮爆发的E-N-D-S机制模式，为进一步深入揭示该甲藻或其它藻有害藻华爆发过程与机制提供新的理论框架。