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近日，汕头大学海洋生物研究所洪婷、莫杰章博士为第一作者，杜虹教授为通讯作者，在《Plant, Cell & Environment》期刊发表题为《Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation》的研究论文。该研究以模式生物海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum（原核藻类，P. tricornutum）对象，置于热胁迫（25℃，对照组为20℃）下400天（约400代），运用多组学分析方法（包括转录组学、基因组学和表观遗传学）揭示了海洋硅藻适应长期海洋变暖（Ocean Warming, OW）的调控机制。研究发现，海洋硅藻通过资源分配权衡（如光合作用、氮代谢、核糖体合成与翻译、碳代谢和热激响应的调控）以及表观遗传调控（特别是组蛋白修饰H3K27me3对转座元件的调控）以响应长期热胁迫。易基因科技为本研究提供原核藻类ChIP-seq建库测序分析技术服务。
标题：Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation（多组学分析揭示了海洋硅藻对长期海洋变暖的响应策略：资源分配权衡和表观遗传调控）
发表时间：2025-03-30
发表期刊：Plant, Cell & Environment（PLANT CELL ENVIRON）
影响因子：IF6.3/Q1
技术平台：ChIP-seq等
本研究通过基因组学和转录组学测序分析表明海洋硅藻在响应长期海洋变暖过程中，基因和转录水平上对资源分配（如光合作用、氮代谢、核糖体合成与翻译、碳代谢和热激响应）的调控与蛋白质、碳水化合物和颗粒有机碳积累、脂质含量降低以及细胞体积增大有关。组蛋白修饰（H3K27me3）ChIP-seq和转录组数据集的综合分析揭示了转座元件以及通过组蛋白修饰对转座元件的表观遗传调控在P. tricornutum响应长期热胁迫中的潜在作用。这些机制上的见解可能有助于未来对海洋变暖引发的对海洋浮游植物影响的建模和预测。
研究方法
1、长期热胁迫处理：将P. tricornutum培养在20°C（对照组）和25°C（热胁迫组）下约400天。
2、生理和生化测量：收集藻类样本检测藻类生长率和Fv/Fm（最大荧光效率），测定叶绿素a（Chlorophyll a, Chl‐a）含量，测定呼吸（Respiration, Rd）速率和净光合（Net Photosynthesis, Pn）速率。收集藻类样本检测可溶性糖（Soluble Sugars, SS）、可溶性蛋白（Soluble Proteins, SP）、丙酮酸（Pyruvate, PA）和氨基酸含量。
3、全基因组重测序：提取藻类细胞的基因组DNA进行全基因组重测序，并筛选出具有显著选择性的区域和候选选择基因。
4、RNA测序：转录组测序，并筛选出差异表达基因（DEGs），进行基因富集分析。
5、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）：为研究H3K27me3在P. tricornutum响应热胁迫中的潜在作用，进行ChIP-seq测序。进行差异富集分析，鉴定差异peaks，并对邻近基因进行KEGG分析。
6、转移实验：在长期热胁迫400天后，将藻类转移到20°C和25°C两个温度下，进行为期14天的半连续培养。分别测定对照组和热选择组在20°C和25°C下的生长率、Fv/Fm、光合作用和呼吸作用。同时，收集藻类细胞，通过qPCR和ChIP-qPCR验证目标基因的表达和富集。
结果图形
（1）长期热胁迫下P. tricornutum的生长和生理
在长期热胁迫的400天内，P. tricornutum的比生长率和Fv/Fm出现动态变化。热胁迫在第7天未影响比生长率，但在第134-175天显著降低，到第400天恢复到对照水平。Fv/Fm在第7-175天显著降低，随后增加并在第400天恢复到对照水平。转移实验表明，与对照组相比，热胁迫组的Fv/Fm在25°C下受到抑制，而长期热胁迫后的TSe-25°C组未观察到显著变化。热胁迫组的Chl-a含量在第14天显著增加，但在第400天恢复到对照水平。长期热胁迫后，TSe-25°C组的净光合速率显著增加16%，而呼吸速率未受影响。研究结果表明，P. tricornutum在长期热胁迫后实现了光合作用的适应。
图1：在长期热胁迫400天期间，P. tricornutum的生理变化。分别展示了生长率（a）和Fv/Fm（b）（对照组：在20°C下生长的藻类，TSe：在25°C下生长的藻类）。
图2：利用互惠移植试验(reciprocal transplant assays)评估P. tricornutum在400天热胁迫下的适应性。图中展示Fv/Fm（a）、叶绿素a（Chl‐a）含量（b）、呼吸速率（c）和净光合速率（d）。
（2）长期热胁迫下的生化和形态变化
长期热胁迫后，TSe群体的细胞宽度显著增加，而细胞长度无显著差异，表明细胞大小增加。与对照组相比，TSe处理组的可溶性糖（SS）和可溶性蛋白（SP）含量分别显著增加了42%和26%，而中性脂质含量显著降低了22%。同时，丙酮酸和氨基酸含量分别显著增加了53%和23%。此外，每细胞的颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon, POC）和颗粒有机氮（Particulate Organic Nitrogen, PON）含量分别增加了23%和24%。
图3：P. tricornutum在长期热胁迫400天的细胞形态变化。展示细胞长度（a）、细胞宽度（b）、长宽比（c）以及代表性显微图像（d）。
图4：P. tricornutum在长期热胁迫400天能量代谢的生理化学水平变化。展示可溶性糖（SS；a）、可溶性蛋白（SP；b）、中性脂质（c）、颗粒有机碳（POC；d）和颗粒有机氮（PON；e）的含量。
（3）长期热胁迫下的基因选择（Gene Selection）
全基因组重测序结果显示，与对照组相比，热胁迫组的核苷酸多样性（π）降低，而遗传分化（Fst）较小。通过筛选出具有显著选择性的区域，鉴定了720个潜在的选择基因。这些基因主要参与核糖体生物合成、光合作用、碳水化合物代谢和RNA剪接等生物学过程，以及碳水化合物代谢、能量代谢和氨基酸代谢等KEGG通路。
（4）长期热胁迫后P. tricornutum的转录组特征
转录组测序（RNA-seq）结果显示，与对照组相比，热胁迫组有1181个差异表达基因（DEGs），其中894个上调，287个下调。这些DEGs主要参与光合作用、基因转录、DNA复制、蛋白运输、核糖体生物合成和热激响应等生物学过程，以及核糖体生物合成、同源重组、DNA复制、RNA聚合酶和光合生物中的碳固定等KEGG通路。
表1：P. tricornutum在长期热胁迫400天后，转录组数据中差异表达基因（DEGs）显著改变（p < 0.05）的KEGG通路。Up_gene和Down_gene分别代表上调和下调的DEGs。
图5：P. tricornutum在长期热胁迫下的能量代谢调控通路。蓝色和红色分别表示基因表达的上调和下调。
（5）基因组学和转录组学数据的综合分析
综合分析基因组学和转录组学数据，发现65个基因在基因组和转录组水平上均发生显著变化，其中49个上调，16个下调。这些基因包括与热激响应（如编码分子伴侣Dnaj样蛋白的hsp40a）、转座元件（如CoDi2.2、CoDi4.2等）、核糖体和剪接体（如ddx31、krr1和ytm1）、光合作用（如编码碳酸酐酶的can）和呼吸作用（如编码丙酮酸羧化酶的pyc2）相关的基因。
（6）长期热胁迫下的组蛋白修饰（H3K27me3）
ChIP-seq分析结果表明，与对照组相比，热胁迫组的H3K27me3修饰水平在全基因组范围内没有差异，但在热胁迫组中发现了更多短富集peaks。在所有样本中，H3K27me3修饰区域主要分布在启动子区域，并在转录起始位点±500bp处富集。与对照组相比，热胁迫组中有735个基因的H3K27me3水平更高，而79个基因的H3K27me3水平更低。这些候选基因主要参与甘露糖型O-甘露糖的生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化、嘌呤代谢和植物-病原体互作等通路。综合分析ChIP-seq和RNA-seq数据集发现，在长期热胁迫下，大多数Ty1/copia转座元件（如CoDi4.2、CoDi4.3等）在转录水平上显著上调。特别是CoDi4.2的转录表达最为活跃。P. tricornutum的H3K27me3在转座元件上高度富集，约40%的转座元件被标记。在长期热胁迫下，12个具有较低H3K27me3修饰的Ty1/copia转座元件在转录水平上显著上调。进一步分析CoDi4.2在对照组（20°C）和热胁迫组（25°C）培养14天的转录水平和H3K27me3修饰水平的动态变化。与对照组（20°C处理）相比，热胁迫组（25°C处理）的CoDi4.2表达活跃，而H3K27me3修饰水平显著降低。此外，与25°C处理相比， 20°C处理的CoDi4.2转录水平受到抑制，而H3K27me3修饰水平增加。这些结果表明，转座元件的转录表达可能受H3K27me3调控。
图6：在长期热胁迫400天期间，P. tricornutum中组蛋白修饰H3K27me3对转座元件（Transposable Elements, TEs）转录表达的调控。图中展示了差异表达的TEs（a）以及一个聚类热图，显示了某些TEs的转录表达变化倍数（红色区域）和H3K27me3富集（蓝色区域）（b）。
讨论和启示
本研究表明，模式生物硅藻P. tricornutum通过遗传和表观遗传机制在长期海洋变暖下恢复其光合作用效率，并达到新的代谢状态以适应。具体而言，光合作用固定的有机碳以减少脂质合成为代价，更有可能被分配到蛋白质和碳水化合物的生物合成中。值得注意的是，通过组蛋白修饰（特别是H3K27me3）对转座元件的表观遗传调控可能在硅藻适应高温中提高遗传多样性方面发挥基础性作用。这些在遗传和表观遗传水平上的机制见解可能有助于未来对海洋变暖对海洋浮游植物影响的建模和预测。除了全球变暖外，还有其他压力因素可能在生态场景下影响海洋浮游植物。因此，未来对海洋浮游植物在多种环境压力因素（例如变暖、海洋酸化、缺氧和低/高盐度）的综合影响下的适应响应和机制的研究是必要的。
ChIP-seq测序技术在本研究中的重要作用在于揭示了组蛋白修饰H3K27me3在P. tricornutum适应长期热选择中的潜在作用，特别是对转座元件的调控。通过ChIP-seq技术，研究人员能够鉴定出在长期热选择下，H3K27me3修饰水平发生变化的基因区域，从而揭示了表观遗传调控在海洋硅藻适应长期海洋变暖中的重要性。
参考文献：
Hong T, Mo J, Li T, Huang N, Liu W, Liang H, Pei P, Li P, Chen J, Du H. Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation. Plant Cell Environ. 2025 Mar 30. doi: 10.1111/pce.15482.
