海藻糖代谢对发状念珠藻低温和干旱抗性的调控作用研究

生物在低温、高温、干旱、盐碱以及有毒污染物的胁迫下,细胞内的海藻糖会大量积累,使得这些生物对恶劣环境表现出惊人的适应能力，研究海藻糖的代谢调控成为逆境生物学的研究热点之一。本项目拟选用发状念珠藻作为研究对象，以实验室建立的悬浮细胞系为材料，通过分析低温和干旱胁迫下发状念珠藻细胞生理活性的变化，克隆获得海藻糖合成途径中关键酶的基因和相关启动子，分离鉴定出低温和干旱胁迫下海藻糖代谢途径中的基因表达调控元件，阐释在低温和干旱胁迫下参与调控海藻糖代谢途径的主要因子及其与生理活性之间的相关性，揭示海藻糖代谢在生物抗逆过程中的作用，并为提高克隆基因表达效率提供有效途径。研究结果对于我们深入认识发状念珠藻在极端生境条件下的生态作用机制，在维持群落的功能与物种多样性方面的作用，及其对于物种保育与生态恢复的功能与价值都具有重要意义。

发状念珠藻（Nostoc flagelliforme Berkeley & Curtis）是一种极端环境条件下生长的蓝藻，分布于干旱半干旱地区，同时也能在低温环境中生长。我们以人工培养的发状念珠藻悬浮细胞为研究材料，通过比较分析4 ℃低温胁迫下和PEG模拟干旱胁迫下的生长状态、生理特性和蛋白质组的变化，阐释发状念珠藻在极端环境下得以生存的适应机制。研究结果如下：.1．低温、干旱和氮素缺乏对发状念珠藻的生长生理的影响。4℃低温胁迫通过抑制细胞生长速度和分裂频率，从而降低生物量的积累，导致生长缓慢。虽然4℃低温胁迫能抑制发状念珠藻生长，但是发状念珠藻细胞也能对低温逐渐产生适应性。在4℃低温胁迫下，细胞通过积累渗透调节物质（脯氨酸、海藻糖），提高抗氧化酶（超氧化物歧化酶）的活性，维持细胞膜结构的完整，从而使细胞增强抗性，恢复生长。低温胁迫对发状念珠藻的光合作用有明显的抑制作用，但是随着时间的延长，光合作用逐渐恢复。PEG模拟的干旱胁迫使发状念珠藻悬浮细胞的胶质鞘明显增厚，降低了细胞活性，叶绿素含量和SOD活性明显升高，说明悬浮细胞对模拟干旱胁迫有明显的抗性。缺氮培养的发状念珠藻提高了细胞活性，叶绿素含量变化不明显，脯氨酸下降，由于发状念珠藻具有固氮酶，当环境中缺乏氮素时通过应激反应维持细胞的正常生理活动。.2. 利用蛋白质组学技术研究发状念珠藻响应低温的分子机制。蓝藻特别是发状念珠藻抗低温胁迫的蛋白质组学研究来说是仍是空白，因此从蛋白质组水平上探索抗低温的机制显得尤为必要。对发状念珠藻进行4℃低温处理 3天后, 提取总蛋白, 利用双向电泳技术分离差异蛋白点。分析比较得到了104个有显著差异的蛋白点。其中,低温处理上调表达量的蛋白点有42个, 下调表达量的蛋白点有62个。筛选出存在明显差异的23个蛋白点, 经质谱分析,这些差异蛋白质包括光敏色素、叶绿体磷酸激酶、细胞结构相关蛋白质以及信号转导相关蛋白质，推测这些差异蛋白点可能与低温胁迫相关。.总而言之，发状念珠藻具有其独特的形态特征、生理生化和蛋白质组学等多方面的防御机制，是极端环境生长宝贵的微生物资源。进一步揭示发状念珠藻以及蓝藻适应极端环境的代谢途径和分子机制，对于物种保育与生态恢复的功能与价值意义重大。