海洋甲藻麻痹性贝毒合成途径及分子调控机理

本项目以链状亚历山大藻(Alexandrium catenella)为模式种，运用转录组学理论和研究方法结合生物信息学分析，比较研究链状亚历山大藻有毒野生株和无毒变异株，以及有毒野生株不同毒素合成期转录组的差异表达，筛选差异表达基因并进行高通量测序，解析差异表达基因功能及其参与的生物学过程，定量基因表达与毒素合成的关系，确定参与毒素合成和调控的基因，构建毒素合成途径及基因调控网络，揭示毒素合成的分子调控机理。本项目首次从转录组角度研究有毒甲藻麻痹性贝毒生物合成途径和调控机理，其结果对揭示海洋甲藻毒素生物合成机制具有重要的理论价值，填补国际上这方面的空白，推动我国海洋甲藻转录组学的发展，提升我国有害藻华研究水平。此外在有毒藻华的预测预防等方面也有重要的应用前景。

麻痹性贝类毒素（Paralytic shellfish toxins，PSTs）是由海洋甲藻等生产的一类神经性毒素，分布广、危害大，严重威胁到海洋生态系统稳定、海洋生物资源可持续利用和人们生命财产安全。尽管针对甲藻PST开展了大量研究，但由于甲藻庞大的基因组及复杂的基因结构，目前我们对甲藻产毒机理仍知之甚少。.本项目以有毒链状亚历山大藻（Alexandrium catenella）为研究对象，运用基于高通量测序的转录组学技术（RNA-seq）和基于质谱分析的定量蛋白质组学技术（iTRAQ），结合生物信息学分析，比较研究了A. catenella有毒野生株（ACHK-T）和无毒变异株（ACHK-NT）转录组和蛋白质组，ACHK-T不同产毒时期转录组和蛋白质组，以及细胞代谢抑制剂秋水仙素处理前后的ACHK-T和ACHK-NT的转录组和蛋白质组，鉴定、筛选差异表达基因和蛋白质，确认参与毒素合成的基因和蛋白质及其参与的生物学过程，探讨亚历山大藻PST合成的分子机制。取得主要研究结果如下：1）基于第二代测序的RNA-seq结合de novo组装能够有效地获得足够的链状亚历山大藻的转录本信息，鉴定到了直接参与毒素合成的大部分基因；2）ACHK-T和ACHK-NT中的基因表达模式基本一致，sxtA长转录本直接参与毒素的生物合成，其在ACHK-NT的下调表达可能是导致ACHK-NT毒素合成能力丢失的主要原因，且毒素的合成受到翻译或翻译后水平的调节；3）链状亚历山大藻通过提高结构和马达蛋白相关基因表达来抵御代谢抑制剂的胁迫，细胞内毒素合成停滞但毒素合成相关基因上调进一步表明毒素合成是通过翻译水平或翻译后水平调节；4）iTRAQ定量蛋白质组学技术可有效地用于甲藻蛋白质的高通量鉴定和定量研究，揭示甲藻细胞的蛋白质组成特征；5）ACHK-T和ACHK-NT中一些生物学过程存在显著差异，这些差异导致了两者在碳和能量利用策略上的不一致，这可能决定了两者不同的产毒和生长能力；6）甲藻PST合成可能与蛋白质翻译和叶绿素合成相关联，是细胞氮代谢过程中的一个重要组成部分，毒素可能对氮代谢过程中的谷氨酰氨合成酶具有反馈作用，可调节细胞内氮的再分配；7）甲藻PST产毒相关蛋白并不是毒素合成过程所特有，它们还参与了细胞内其它的生物学过程，PST合成可能受到翻译后水平的调节，且调控方式与蓝藻类似。