典型真核浮游植物利用溶解态有机磷的代谢途径研究

The project will investigate the molecular mechanisms in marine eukaryotic phytoplankton to utilize dissolved organic phosphorus (DOP). The study will focus on representative bloom-forming species from different phyla of eukaryotic phytoplankton. Through data mining and comparative omics analysis, a draft phosphorus metabolic pathways in eukaryotic phytoplankton cells will be constructed, which will be used to perform further comparative research against equivalent pathways in prokaryotes. The main goal of the analysis is to identify the differences between eukaryotic and prokaryotic cells to gain understanding on the nutritional strategies in eukaryotpic phytoplankton. Moreover，a series of incubation experiments will be carried out using different types of DOP (phosphoesters and phosphonates) as the sole P source. Physiological status of the different cultures will be monitored daily and used as guide to look for potential functional key enzymes as well as transporters in the metabolic pathways. Further experiments will be conducted to look into the gene expression dynamics of those target genes under different P conditions, and the results will be integrated to elucidate different mechanisms among different species in utilizing these forms of DOP. This project will represent the most systematic research effort on the capacity and the molecular mechanisms of DOP utilization in eukaryotic phytoplankton, which will provide insights into P nutritional strategies and molecular mechanisms underlying ecological adaptation in the marine ecosystem as well as into the roles of these phytoplankton populations in biogeochemical cycles of phosphorus.

本项目选择真核浮游植物中具有代表性的藻华爆发原因种为研究对象，基于人类活动对全球气候及海洋环境影响加剧，磷源的相对输入量和生物可利用性都正在发生变化，针对“典型真核浮游植物对有机磷的利用、磷代谢途径和营养策略”这一科学问题，通过数据挖掘和生物信息学手段，拟初步构建真核浮游植物中磷代谢途径模式简图，并通过分析其与原核生物的异同点，探讨真核浮游植物在海洋中的磷营养生态策略。在此基础上，设计浮游植物培养实验，以磷酸酯和膦酸酯类可溶性有机磷作为唯一磷源，将观测到的生理响应和代谢途径结合分析，针对性地选择相应有机磷代谢途径中的转运蛋白和相关酶为研究目标，分析其在种间的表达调控机制差异。本研究从细胞代谢水平上系统了解具代表性真核浮游植物种类有机磷利用及磷代谢的分子机制，进而探讨其在自然海洋生境中磷营养策略和生态适应机制，以及浮游植物在磷的生地化循环中的角色。

本项目以真核浮游植物中具有代表性的物种为研究对象，基于全球气候变化下海洋磷源的相对输入量和生物可利用性都正在发生变化，针对“典型真核浮游植物对有机磷的利用、磷代谢途径和营养策略”这一科学问题，通过数据挖掘和生物信息学手段，探讨真核浮游植物在海洋中的磷营养生态策略。在此基础上，设计浮游植物培养实验，以磷酸酯和膦酸酯类可溶性有机磷作为唯一磷源，将观测到的生理响应和代谢途径结合分析，取得了较多创新性的科研成果和科学认识。研究发现了1）颗石藻（Emiliania huxleyi）在磷限制条件下，对有机磷（草甘膦）的利用和代谢途径，发现其对有机磷的利用会增强其碳输出效率，深化了其在海洋碳循环中的重要作用的认识。2）模式硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）对植酸的生物可利用性及生理响应和代谢机制，揭示了浮游植物对植酸利用机制的复杂性，以及陆地和水产养殖活动为来源的植酸进入海洋后对沿海生态系统中浮游植物生长和群落结构的潜在影响。3）有机磷和磷限制对典型赤潮藻（东海原甲藻和米氏凯伦藻）的生理生态的影响，并通过相关基因的研究，探索了不同甲藻对不同形态的有机磷的利用特征，从而揭示浮游植物物种组成的潜在驱动因素，并对有害藻类的藻华形成和维持机理提供重要科学依据。同时，整合藻类基因组和转录组数据，建立了SAGER数据库网站，为有机磷相关基因代谢的数据挖掘奠定了坚实的数据基础。并进一步构建了CRISPR / Cas9技术平台，成功开发了三角褐指藻的基因突变流程，构建多株三角褐指藻突变株系，为研究硅藻有机磷利用基因（碱性磷酸酶AP），有机磷调控基因（SPX）和氮磷耦合调控基因（Trp）在有机磷利用和调控中的重要功能奠定了坚实基础。因此，本研究从细胞代谢水平上系统了解了代表性真核浮游植物种类有机磷利用及磷代谢的分子机制，深入探讨了浮游植物在磷的生地化循环中的角色。