青島能源所揭示微擬球藻低二氧化碳適應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控新機(jī)制

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】海洋微藻是全球碳循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力，通過光合作用每年固定約110億噸碳，占全球初級(jí)生產(chǎn)力的50%以上。由于水體中CO2溶解度較低，微藻在進(jìn)化過程中形成了高效的CO2濃縮機(jī)制。然而，這一機(jī)制在低CO2條件下的激活涉及多細(xì)胞器協(xié)同與代謝網(wǎng)絡(luò)重編程，深層調(diào)控機(jī)理尚未完全闡明。近年來，DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳調(diào)控逐漸被證實(shí)是光合生物適應(yīng)環(huán)境脅迫的核心機(jī)制，但工業(yè)微藻的表觀基因組研究卻一直缺乏系統(tǒng)性、多維度的表觀遺傳調(diào)控圖譜，嚴(yán)重限制了對(duì)其低碳適應(yīng)策略的理解。
 

　　針對(duì)這一問題，青島能源所單細(xì)胞中心公衍海副研究員和王勤濤副研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)以海洋微擬球藻為模式，通過涵蓋DNA甲基化、組蛋白修飾、核小體占位及三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)等多維度表觀基因組測序，構(gòu)建了適應(yīng)低CO2濃度的工業(yè)微藻多維度表觀遺傳調(diào)控動(dòng)態(tài)圖譜，系統(tǒng)解析了微擬球藻從高CO2(5%)向低CO2(0.01%)環(huán)境轉(zhuǎn)變過程中的表觀遺傳動(dòng)態(tài)，進(jìn)而通過遺傳工程的驗(yàn)證，揭示了H3K4組蛋白修飾在低碳適應(yīng)中的重要貢獻(xiàn)與調(diào)控機(jī)制(圖1)，為提升工業(yè)產(chǎn)油微藻碳固定效率提供了全新的改造策略與靶點(diǎn)。

圖1 多維表觀基因組分析揭示H3K4組蛋白修飾調(diào)控微擬球藻適應(yīng)低CO2的過程
 

　　首先，研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建多層次表觀基因組圖譜，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行高碳與低碳下的差異分析，研究發(fā)現(xiàn)微擬球藻的全基因組甲基化水平僅為0.13%，且低碳條件下無顯著變化；激活型組蛋白修飾(H3K4me2、H3K9ac、H3K27ac和Kcr)與43.1%的差異表達(dá)基因顯著相關(guān)，這些基因富集于核糖體的生物合成、光合作用、基因表達(dá)等核心代謝通路；低碳條件下染色體局部區(qū)室轉(zhuǎn)換與基因表達(dá)變化顯著相關(guān)，且H3K4me2修飾可能通過介導(dǎo)染色質(zhì)開放狀態(tài)調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)采用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)敲除了H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶基因NO24G02310，發(fā)現(xiàn)H3K4me1在全基因組水平的豐度顯著降低，H3K4me2發(fā)生全基因組范圍的定位偏移，突變株的生長速率下降約22%，生物量積累量降低約15%，表明H3K4修飾在微擬球藻低碳適應(yīng)過程中具有關(guān)鍵調(diào)控作用。對(duì)NoHINT與NoPMA2基因的敲除及過表達(dá)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，H3K4修飾可能通過調(diào)控特定酶的互作網(wǎng)絡(luò)及改變?nèi)~綠體跨膜pH梯度，參與微擬球藻低碳適應(yīng)。
 

　　該研究共構(gòu)建73個(gè)表觀基因組數(shù)據(jù)集，生成總量達(dá)504 Gb的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)揭示了微擬球藻在低碳環(huán)境下的表觀遺傳重編程過程，并鎖定了一批具有潛力的基因改造靶點(diǎn)，為通過基因編輯優(yōu)化微藻碳固定效率、推動(dòng)生物能源開發(fā)及高附加值產(chǎn)物產(chǎn)業(yè)化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。與此同時(shí)，研究闡明了微藻依靠表觀遺傳重編程實(shí)現(xiàn)快速低碳適應(yīng)的分子機(jī)制，有助于深刻理解真核微藻在海洋碳循環(huán)中的作用機(jī)制，為預(yù)測海洋生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化背景下的響應(yīng)，以及人工碳匯工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了重要的理論基礎(chǔ)。研究所有數(shù)據(jù)已通過NCBI和NanDeSyn數(shù)據(jù)庫(https://nandesyn.single-cell.cn)向全球科研界開放共享，助力光合生物表觀遺傳學(xué)研究的持續(xù)發(fā)展。
 

　　上述研究成果近期發(fā)表于《植物通訊》(Plant Communications)，由單細(xì)胞中心徐健研究員和孫魯陽研究員主持完成，海南師范大學(xué)魏力副教授和海南大學(xué)辛一研究員亦參與了本研究。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。