巨藻对铬耐性和解毒机理的研究

Heavy metal pollution of ecosystems is a global problem. Our previous research showed that algae can adsorb the heavy metal and result in a series of toxicological effect. In order to further understand the mechanism of heavy metal detoxification and tolerance in alga. This project intent to focus on the brown alga- Durvilaea potatorum and chromium (Ⅵ). Firstly, the characters on subcellular distribution and chemical forms of chromium are acquired by X ray energy dispersive spectrometer, differential centrifugation and gradually chemical extraction method. Secondly, iTRAQ is combined with two-dimensional liquid chromatography and MS to identify the differentially expressed protein under Cr stress, and Verified by Western blotting. Thirdly, the change in metabolic productions is analyzed by the nuclear magnetic resonance (NMR) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) under Cr stress. This study can reveal Cr migration, transformation and Cr detoxification in Durvilaea potatorum. The differentially expressed proteins and metabolic productions can afford a theoretical evidence for further clarifying Cr tolerance molecular mechanism.

重金属对生态系统造成的污染已成为全球关注的问题，我们前期研究表明藻类能吸附水体中重金属，重金属也能对藻类产生一系列的毒理效应。为了更深入了解藻类对重金属耐性和解毒机理，本项目拟以一种大型褐藻-巨藻和六价铬为研究对象,首先采用x射线能谱分析仪、差速离心以及逐步化学提取法研究了铬在巨藻组织和亚细胞水平上的分布特点和化合形态特征；其次以同位素相对绝对定量技术（iTRAQ）为基础，采用联合多维固/液相色谱技术与串联质谱技术分析铬胁迫下蛋白质的变化，并通过蛋白质印迹法进行验证；最后采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术和核磁共振（NMR）技术分析铬胁迫下代谢产物变化。本研究的完成可以从亚细胞水平揭示铬离子在巨藻内的迁移、转化以及参与重金属铬解毒的可能途径，鉴定到的铬胁迫响应蛋白和代谢产物将为阐明巨藻对铬胁迫响应的分子机理提供理论依据。

铬在藻类的生长发育和生理代谢中不发挥任何有益作用，对藻类是一种非常有毒的元素。对于铬毒性研究主要集中在生理生化变化上，缺乏系统性研究上，本项目着力系统性分析铬对巨藻毒性机理。本研究内容分为五部分：1.不同浓度（0，0.5mg/l、2mg/l、10mg/l、20mg/l）的六价铬处理后，巨藻总抗氧化能力、色素、谷胱甘肽还原酶、蛋白质、可溶性糖、总酚含量以及荧光参数、放氧速率发生明显的变化。2.巨藻在2mg/l六价铬处理3天或20mg/l处理1天后，体内铬含量急剧上升而镁和钙含量降低，同时利用GC-MS方法检测铬胁迫下巨藻代谢组学的差异，检测到的代谢产物主要和氨基酸代谢相关。3.以在20mg/l铬处理1天后进行TMT蛋白质组学研究，共找出227种差异蛋白质，KEGG途径表明，铬胁迫会影响巨藻的光合作用、光合生物固碳、代谢途径、氧化磷酸化、氨基酸合成、碳代谢、核糖体和次生代谢产物的生物合成途径。4.喂食含有未处理(5.83 mg Cr/kg 干重)和铬处理巨藻饲料(58.27 mg Cr/kg 干重)海参10天发现喂食铬处理饲料后生长速率明显下降，同时氨基酸组成也发生变化，蛋白质组学鉴定到1587种蛋白，其中有28种差异蛋白。5.干巨藻对铬吸附受到外界条件的影响，此外，傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜-电子色散X射线能谱分析表明，吸附在表面的铬离子和巨藻中的O-H、N-H、C-H和C-O结合。这些研究结果为阐明巨藻对铬吸收和解毒机理以及铬在食物链传递生态毒理奠定了基础。