基于比较转录组分析的莱茵衣藻与雨生红球藻硒富集机制

Selenium is an essential trace element for human health, and organic selenium is very conductive to health and high in bioavailability. Based on the strong accumulation ability, employ algal species transform the inorganic selenium to organic selenium is hotspot of algal resource development. Targeted at the outstanding selenium bioaccumulation ability of green algae, Chlamydomonas reinhardtii was selected as model selenium bioaccumulator, and also selected the target applied algae, Haematococcus pluvialis, which is enrich of astaxanthin and able to bioaccumulate organic selenium. In this project, the next generation of high throughput sequencing technic is utilized to study the bioaccumulation mechanism of selenium in the two green algae via comparative transcriptome study. We propose to compare the selenium accumulated group and the control group to identify significantly differential expressed genes, and investigate the molecular mechanism of selenium bioaccumulation and metabolic pathway in the two green algal species. Hereafter, compare the transcription regulation between two algae, and verify the changes in expression levels of candidate genes via molecular analysis, and determine the key genes. This project is theoretical vital to reveal the bioaccumulation mechanism of green algae , as well as fundamental to further exploitation of high efficiency selenium bioaccumulator of microalgae.

硒是人体必需的微量元素，有机硒有益于健康且利用度高。利用藻类对硒的较强富集能力将无机硒转化为以硒蛋白为主要形式的有机硒，是藻类资源开发之热点。针对绿藻的卓越富硒能力，本项目选取莱茵衣藻为绿藻富硒的模式生物，同时选取具有重要经济价值，兼具虾青素生产和生物富硒的雨生红球藻作为应用目标藻种。运用新一代高通量测序技术对两种绿藻的硒富集的生物学机制进行比较转录组研究。通过比较硒富集组与对照组转录水平的基因表达差异，运用生物信息学分析鉴定与富硒相关的基因，探讨绿藻的富硒生物机制和代谢通路。比较两种绿藻之间转录调控的异同，利用分子生物学手段对测序得到的候选基因进行表达检测验证，确定关键基因。本项目不仅对揭示绿藻富硒机制具有重要的理论意义，而且可进一步为高效富硒微藻资源开发奠定基础。

绿藻在水生食物网中是最重要的初级生产者，它们具有吸收和富集微量元素硒的能力，并能利用硒替代硫元素而在藻细胞中合成硒蛋白。根据剂量和种类，硒对藻类生长具有双重作用，但绿藻富硒的作用机制尚不清楚。本项目从转录组、生物富集和硒蛋白三个层面上研究绿藻富硒的生物学特性，以期阐明硒对绿藻细胞的生物学效应，以及绿藻富硒可能的分子机制。主要内容包括：1. 莱茵衣藻的生物富硒特性和转录组学分析；2. 雨生红球藻的生物富硒特性与转录组学分析；3. 雨生红球藻硒蛋白TR1基因克隆及其表征。主要研究结果包括：.1. 莱茵衣藻总硒和有机硒含量均随培养时间延长而增加，生长的对数期是总硒和有机硒富集的主要时期，加硒时间在对数期中后期时莱茵衣藻富硒效果最好，总硒富集量可达2600 μg/g左右，有机硒含量达2000 μg/g左右。转录组测序得到17173个Unigene，发现1609个差异表达基因，其中518个基因上调，1091个基因下调；差异基因进行了GO基因富集分析和KEGG代谢通路分析。对9种硒蛋白基因进行荧光定量PCR分析，验证了加硒使莱茵衣藻编码硒蛋白的基因表达量明显增加。.2. 通过雨生红球藻硒胁迫的EC50实验，发现亚硒酸钠对雨生红球藻细胞的半最大效应浓度是24 mg/L。加硒浓度为13 mg/L时，藻内总硒及有机硒达到峰值，分别是646µg/ g和380 µg/ g。在不同加硒时间加硒的试验中，发现第一天加硒时，藻富集硒最高。转录组测序得到53405个Unigene，发现68个差异表达基因，其中41个基因上调，27个基因下调；差异基因进行了GO基因富集分析和KEGG代谢通路分析。.3. 以雨生红球藻的转录组数据为基础，利用RT-PCR和RACE技术第一次克隆了雨生红球藻中代表性的硒蛋白-硫氧还蛋白还原酶TR1基因，并通过生物信息预测的方法对该基因的核酸序列进行了分析得到了硒蛋白基因的特殊结构，最后利用荧光定量PCR和酶活测定的方法得到了雨生红球藻硒蛋白基因在加硒培养条件下的表达情况。