栅藻诱导型防御群体形成的多糖代谢过程及其分子调控机制研究

Phytoplankton represented by Scenedesmus can form big-sized colonies in response to grazing risk, which is suggested to prevent strong population fluctuation and stabilize the community structure in aquatic ecosystem. Our preliminary results indicate that special polysaccharide metabolisms and the molecular mechanism of regulation may contribute to the grazer-induced colony formation, which is, however, still unclear. In this study, the exopolysaccharides properties, running characteristics of glucose metabolism including the glycolytic pathway, gluconeogenic pathway and the exopolysaccharide synthesis will be systemically researched, aiming to elucidate the polysaccharide metabolism-related changes during grazing-induced colony formation in Scenedesmus. In addition, the key genes related to the glucose metabolism will be analyzed. And the molecular mechanisms of the exopolysaccharide synthesis during grazer-induced colony formation will be confirmed. It will provide a comprehensive understanding of the glucose metabolisms during the unicell-colony transformation in Scenedesmus, and will benefit to the studies of the special physiological and molecular mechanisms that regulate the predator-induced defenses in plankton.

为抵御浮游动物捕食，水域生态系统中以栅藻为代表的多种微藻，通过形成诱导型群体进行反牧食防御，可防止不同营养级种群的剧烈波动，进而维持群落结构稳定性。根据我们的前期结果推测诱导型防御群体的形成受藻类特殊的多糖代谢过程调控，但是该过程的运行特征以及分子调控机制尚不清楚。针对这一问题，本申请拟研究栅藻诱导型防御群体形成中的胞外多糖特性，以及以糖酵解、糖异生和多糖生物合成为主的糖代谢途径的运行规律，揭示诱导型防御群体形成的多糖代谢过程；筛选并鉴定参与诱导型防御群体形成的糖代谢调控基因，研究目的基因的时序表达特征，阐明群体形成中多糖代谢过程的独特分子调控途径。目的是全面深入地了解栅藻诱导型防御群体形成中糖代谢途径的运行特征与调控机制，对揭示反牧食防御群体形成的独特生理与分子机制具有重要理论意义，同时也为研究反牧食防御对食物网稳定性及水域生态系统的影响提供新思路。

捕食关系作为水域系统浮游动物与浮游植物之间最主要的作用方式之一，在维持物种多样性和生态系统稳定性方面发挥着重要作用。为抵御浮游动物捕食，多种浮游植物可以通过形态改变进行反牧食防御。本研究以形成反牧食防御群体的栅藻属微藻为研究对象，以糖代谢过程为重点，初步探讨了斜生栅藻诱导型反牧食防御群体形成的分子调控机制，结果表明：（1）利用浮游动物培养滤液诱导单细胞栅藻形成反牧食防御群体后，分析发现群体形成并非由于微藻生长加快造成的，也不会对栅藻生长产生抑制作用，但群体表型细胞其胞外多聚糖含量显著升高，提示群体形成与胞内糖代谢途径密切相关；（2）采用气相色谱-质谱联用技术分析了不同表型细胞的代谢轮廓，共定性代谢产物327个，明确了不同表型细胞的差异代谢物，并进一步富集到通路包括淀粉蔗糖代谢、氨基酸代谢、光合固碳等路径；此外以植物激素的合成和生物碱类物质合成路径为主的次级代谢通路也发生改变，为理解栅藻反牧食防御群体形成的生理代谢基础提供重要参考；（3）基于高通量测序技术，比较分析了形成反牧食防御群体后栅藻细胞在转录组水平的变化，初步确定群体形成通过磷酸肌醇代谢途径和植物—寄生者相互关系途径接收并传递防御信号；通过上调光合固碳途径、淀粉和蔗糖代谢以及半乳糖代谢途径提供多糖合成的能量和原料；（4）基于上述发现采用生化手段和实时定量PCR检验了糖代谢路径关键酶活性和基因表达水平的变化，初步探讨了群体形成过程中主要糖代谢相关通路的改变及彼此间的相互作用。以上结果为研究反牧食防御群体形成的独特生理及分子机制提供数据支撑，对揭示食物链中藻类和浮游动物种群动态关系具有重要的理论意义。