极端骤变海冰环境中南极冰藻水通道蛋白的分子作用机制研究

Water transport is one of the most basic activities of life, the water molecule rapid transmembrane transport mediated by aquaporins is a key factor for organisms to adapt quickly to environmental stress. The current research on algae aquaporins is very few, no research of aquaporins in low temperature algae. Antarctic ice microalgae could thrive in the sea ice salt capsule with low temperature and high salinity, must have its special mechanism to maintain the osmotic balance, and its aquaporins should be efficient and unique. This project is in based on the aquaporin gene and its biological information the analysis of Antarctic ice microalgae in the early stage, further study on the aquaporins expression regulation and water transmembrane transport mechanism of Antarctic ice microalgae in sea ice environment; analysis of aquaporin transport activity and physiological function; verification of Antarctic ice microalgae aquaporin key sites, and in-depth understanding of the relationship between protein structure and function of water transport characteristics in sea ice environment; in order to clear the physiological characteristics of Antarctic ice microalgae aquaporin in extreme sea ice, to reveal the molecular mechanism. It is not only helpful to elucidate the molecular mechanism of Antarctic ice microalgae to maintain moisture balance and physiological resistance, can also develop and perfect function study on aquaporin. It has important theoretical significance and practical value in the cultivate and genetic optimization of frost resistant and salt tolerant plants.

水分转运是生命最基本的活动之一，水通道蛋白介导的水分子快速跨膜运输是生物体迅速适应外界环境胁迫的一个关键因素。目前关于藻类水通道蛋白的研究很少，尚未见低温藻水通道蛋白的研究。南极冰藻能够在酷寒和高盐度的海冰盐囊中旺盛生长，必然有其特殊机制来维持细胞内外渗透压平衡，其水通道蛋白应该是高效而独特的。本项目拟在前期南极冰藻水通道蛋白基因及其生物信息学分析的基础上，进一步研究海冰环境中南极冰藻水通道蛋白表达调控与水跨膜运输调节机制；分析水通道蛋白的转运活性和生理功能；验证南极冰藻水通道蛋白关键位点的功能，深入研究蛋白结构与其海冰环境中的水分转运功能特性的关系；从而明确极端骤变海冰环境中南极冰藻水通道蛋白的生理功能特性，揭示其分子作用机制。这不仅有助于阐明南极冰藻维持水分平衡的分子机制及其抗逆生理，还可发展和完善水通道蛋白的功能研究，对抗冻和耐盐植物的培育、遗传优选等具有重要的理论意义和实际价值。

水通道蛋白介导的水分子快速跨膜运输是生物体迅速适应外界环境胁迫的一个关键因素。目前关于藻类水通道蛋白的研究很少，尚未见低温藻水通道蛋白的研究。为此，本项目按计划完成了极端骤变海冰环境中南极冰藻Chlamydomonas sp. ICE-L水通道蛋白的分子作用机制研究，取得较好的研究成果。（1）完成南极冰藻可控培养，发现维持质膜流动性是南极冰藻能够适应低温及高盐环境的一个重要原因，且细胞质膜上的通道蛋白发挥了重要作用。（2）成功制备南极冰藻原生质体，发现南极冰藻原生质体在低渗介质中体积迅速增大、膨胀破碎，呈现典型的水通道蛋白特征。（3）完成南极冰藻全基因组测序，获得12条水通道蛋白基因，克隆验证部分水通道蛋白基因，系统进化分析发现南极冰藻8个水通道蛋白基因单独聚为1类。（4）克隆获得南极冰藻水通道蛋白基因CiMIP1和CiMIP12，开展生物信息学分析，CiMIP1和CiMIP12都属于膜整合蛋白MIPs超家族，都具有典型的水通道蛋白结构特征和特殊的NPA结构。（5）研究了南极冰藻水通道蛋白基因CiMIP1和CiMIP12在海冰环境中的表达变化规律，发现CiMIP1更容易受到外部温盐环境的影响。（6）构建了南极冰藻水通道蛋白基因CiMIP1的原核表达体系，其表达的CiMIP1蛋白主要以包涵体的形式存在沉淀当中，采用无细胞蛋白合成系统表达南极冰藻水通道蛋白，得到CiMIP1蛋白纯品。（7）构建了南极冰藻水通道蛋白CiMIP1、CiMIP12和绿色荧光蛋白的融合表达载体，并转化到毕赤酵母菌成功表达，表达菌株细胞外围呈现绿色荧光，在高渗条件下均生长良好；CiMIP1蛋白可以转运尿素，但不能转运硼酸；重组酵母透水性受CiMIP12蛋白表达的影响较小，而CiMIP1蛋白的异源表达使酵母透水性提高，具有较好的水转运功能。通过上述研究，初步阐明了极端骤变海冰环境中南极冰藻水通道蛋白的分子作用机制，揭示了南极冰藻水通道蛋白功能特性及作用机理，深入认识南极冰藻在极端环境下维持水分平衡的机制，从而明确极端海冰生境中南极冰藻水通道蛋白对南极冰藻生存的重大意义。