基于比较转录组及蛋白质组探讨绿水螅-单细胞绿藻共生体宿主与绿藻间非对称依赖型共生策略的分子机理

The symbiotic system of Chinese green hydra (Hydra sinensis) and unicellular eukaryotic green algae is a special biological model which has a high scientific value in the field of developmental biology and cell biology. The results of our former studies about the relationship between green hydra and its symbiotic algae indicated that H. sinensis artificial strain without symbiotic algae still has the ability of long-term survival and reproduction, while the symbiotic algae in vitro lose the ability to survive in the wild. Thus their special asymmetrically dependent symbiotic relationship is worthy of further study and the underlying symbiotic strategies such as recognition, compatibility, coordination, interaction, metabolic flux and gene flow between green hydra and its symbiotic algae are of significant importance to help us understand this special symbiotic relationship. Hence, this project will attempt to study the differently expressed genes and proteins, genetic regulations and metabolic pathways which are related to symbiosis based on the comparative transcriptome and proteome analysis between H. sinensis artificial strain without symbiotic algae and its wild type strain with symbiotic algae, between the gastrodermal myoepithelial cell strain without symbiotic algae and its wild type cell strain with symbiotic algae, as well as between the symbiotic algae in vivo and the symbiotic algae in vitro. The project is valuable for us to better understand the molecular mechanism about the special symbiosis of green hydra.

单细胞真核绿藻在中国绿水螅（Hydra sinensis）体内共生是发育生物学和细胞生物学等领域有较高科研价值的特殊生物学现象。我们在对绿水螅宿主与共生藻相互关系的前期研究中发现，去除共生藻的绿水螅仍能长期存活和繁殖，离体共生藻却失去自由存活能力。这种非对称依赖型共生关系的机理值得深入研究，而水螅与共生藻间的识别特异性、相容、协同、互作、代谢流和基因流等共生策略是其中的重要科学问题。基于此，本课题拟运用系统性的比较转录组学及比较蛋白质组学方法，在中国绿水螅个体水平（中国绿水螅野生型与去除共生藻的绿水螅间）、细胞水平（有绿藻共生的内胚层皮肌细胞与去除共生藻的内胚层皮肌细胞间）及共生藻（在体共生藻与离体共生藻间）三个层次上研究该共生体与共生相关的基因及蛋白质、基因表达调控途径及代谢通路的多维特征，以期对水螅-绿藻共生体中宿主水螅与共生藻间这种特殊共生关系的分子生物学机理进行综合分析和评价。

单细胞真核绿藻在中国绿水螅（Hydra sinensis）体内共生是发育生物学和细胞生物学等领域有较高科研价值的特殊生物学现象。绿水螅宿主与共生藻共生关系的机理值得深入研究，而水螅与共生藻间相容、协同、互作、代谢流和基因流等共生策略是其中的重要科学问题。. 本课题通过中国绿水螅野生型与去除共生藻的绿水螅模型间比较转录组、蛋白质组和代谢组分析，绿水螅饥饿胁迫响应的多组学分析及饥饿胁迫的绿水螅光辐射管控响应的多组学分析等系统性实验和研究，揭示了绿水螅对共生藻在其体内共生的5类分子响应：（1）比较组学分析显示水螅-绿藻共生体内糖类代谢及脂类代谢活跃。共生藻光合作用产物除了保证其自身营养需求外还可以传递给水螅细胞、作为水螅的营养补充，本研究首次揭示除糖类物质外、脂类物质可能也是共生藻转移营养给水螅细胞的载体，值得深入探讨；（2）比较组学分析显示共生体内氨基酸及氮代谢也非常活跃，这与共生藻位于水螅细胞内部、共生藻生长所需营养物质必须从宿主细胞获得有关。水螅细胞把本来要排出细胞外直至排到体外的氮废物转变为可透过共生泡膜的分子或离子形式，因为共生藻的植物性营养需要持续的含氮物质供应；（3）比较组学分析富集到ATP结合盒式转运蛋白系统可能参与了水螅细胞与共生藻间活跃的跨膜物质交流；（4）水螅细胞作为共生藻的宿主，面临由于共生藻光合作用使得活性氧水平升高的问题，比较组学分析揭示的中国绿水螅含共生藻品系抗氧化代谢活跃可能与控制这些升高的活性氧水平有关；（5）比较组学分析显示中国绿水螅含共生藻品系免疫水平下调的现象反映了水螅细胞可能主动调低免疫水平得以容纳共生藻。. 总之，本研究通过比较组学方法发现了水螅宿主和共生藻的一系列与共生相关的基因、蛋白质、代谢物、基因调控途径及代谢通路，并对一些重点的共生相关基因和蛋白进行了深入研究，这些结果为水螅-绿藻共生体宿主与共生藻间共生策略和互作机制的综合分析和评价提供了第一手资料。