速生集胞藻6803光合放氧速率、生長曲線及基因組分析（五）
在高光條件下，相較于野生型6803，高光6803基因組中編碼響應(yīng)光強(qiáng)變化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子RpaB的特有突變基因slr0947的表達(dá)水平未檢測到變化；PSII反應(yīng)中心蛋白D1、D2編碼基因psbA2、psbA3和psbD的表達(dá)分別上調(diào)了4.4、14.8、5.3倍，而蛋白D1、D2的再生能力決定了PSII適應(yīng)光脅迫、光抑制的能力。PET上的重要電子傳遞組分細(xì)胞色素b6f復(fù)合體(B6F)由8個(gè)亞基組成，連接PSII、PSI間的電子傳遞通路。高光6803的B6F編碼基因petB的表達(dá)水平相比野生型6803上調(diào)了4.3倍；以上結(jié)果可幫助理解高光6803兩個(gè)光系統(tǒng)處rETR明顯高于野生型6803的原因。
藍(lán)藻胞內(nèi)有2種還原力：NADH和NADPH。不同于異養(yǎng)生物胞內(nèi)NADH含量更高，藍(lán)藻胞內(nèi)的NADPH不僅在總量和比例上占據(jù)優(yōu)勢，同時(shí)也是光反應(yīng)的產(chǎn)物，參與胞內(nèi)固碳反應(yīng)等生化過程。ATP、NADPH都是光合作用的產(chǎn)物，但總體上，NADPH相對于ATP過剩，光強(qiáng)過高時(shí)產(chǎn)生的過量NADPH會損傷胞內(nèi)微環(huán)境平衡。鐵氧還蛋白(ferredoxin，F(xiàn)d)是PET的重要組分，依賴攜帶的鐵硫中心發(fā)揮功能，也參與線性電子傳遞(linear electron transport，LET)中NADPH的代謝。在高光培養(yǎng)條件下，相對于野生型6803，高光6803中編碼Fd的petF(fdx)的轉(zhuǎn)錄下調(diào)了93.7%，編碼NADH脫氫酶亞基的ndhD2轉(zhuǎn)錄上調(diào)12.8倍，編碼具有NADPH脫氫酶活性的砷抗性蛋白的arsH轉(zhuǎn)錄上調(diào)55.6倍。此外，編碼雙向[Ni-Fe]氫化酶復(fù)合體的hoxF與hoxU的轉(zhuǎn)錄分別下調(diào)了76.2%與82.1%。根據(jù)以上轉(zhuǎn)錄組結(jié)果，我們推測高光6803通過加強(qiáng)還原力的利用維持胞內(nèi)氧化還原平衡，避免高光脅迫發(fā)生，保證各生化反應(yīng)的正常進(jìn)行，以有效利用高光。
與以上光反應(yīng)相關(guān)基因的差異化表達(dá)趨勢類似，在高光條件下，相比野生型6803，高光6803中與光合固碳、能量-物質(zhì)代謝、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)水平也有顯著變化。如cmpA、cmpB編碼ATP依賴的碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物組分，cmpA與cmpB的表達(dá)分別上調(diào)了24.3倍與10.5倍。此外，編碼卡爾文循環(huán)中核糖5-磷酸異構(gòu)酶的rpiA表達(dá)上調(diào)了6.0倍，編碼磷酸甘油酸激酶的pgk、編碼果糖-1，6-二磷酸醛縮酶的fba表達(dá)分別上調(diào)21.5倍與7.0倍。因此，我們推測高光6803耐高光、生長快、生物量積累多也得益于碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物、固碳反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)。
脂類為藍(lán)藻細(xì)胞膜、類囊體膜上的主要成分，還參與維持膜結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞儲能。在高光條件下，相比野生型6803，高光6803中與脂類合成相關(guān)基因fabD、fabG的表達(dá)分別上調(diào)了4.3倍與12.4倍；編碼單葡糖基二酰甘油差向異構(gòu)酶的mgdE表達(dá)上調(diào)4.2倍。以上基因的表達(dá)水平上調(diào)表明，高光6803也可通過提升脂類合成能力來適應(yīng)高光強(qiáng)環(huán)境，維持胞內(nèi)生化反應(yīng)的正常進(jìn)行。
在高光條件下，相比野生型6803，高光6803基因組中與丙酮酸代謝相關(guān)的編碼磷酸烯醇丙酮酸合酶的ppsA表達(dá)下調(diào)了86.5%；與糖酵解過程相關(guān)的編碼果糖磷酸激酶的pfkA(pfkB1)與pfkA(pfkB2)、編碼丙酮酸氧化還原酶的nifJ表達(dá)分別下調(diào)了86.3%、91.3%與95.9%；編碼草酸脫羧酶的sll1358表達(dá)下調(diào)了81.8%。綜上所述，在高光培養(yǎng)條件下，相比野生型6803，高光6803中與糖酵解過程、磷酸戊糖途徑等分解反應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)水平均下調(diào)，與光合固碳相關(guān)的多個(gè)基因的表達(dá)水平均上調(diào)。以上表明高光6803通過減弱釋放能量的糖分解途徑，強(qiáng)化高耗能的光合固碳途徑來調(diào)控胞內(nèi)能量-物質(zhì)平衡，以實(shí)現(xiàn)對高光的有效利用與快速生長。
在藍(lán)藻中參與氮同化作用的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NrtB、NrtC與NrtD負(fù)責(zé)向藍(lán)藻胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)硝酸鹽，并且均依賴ATP供給。在高光條件下，相比野生型6803，高光6803基因組上的nrtB、nrtC與nrtD表達(dá)水平分別上調(diào)了4.6、5.9、6.4倍，編碼硝酸鹽還原酶的narB表達(dá)水平上調(diào)了8.7倍；而與氨基酸降解代謝相關(guān)的編碼氨基甲酸激酶的arcC、編碼谷氨酰胺連接酶的glnA和glnN、編碼蘇氨酸合成酶的thrC轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)了73.0%–87.3%。綜上，我們推測在高光條件下，高光6803的氨基酸分解代謝減弱，氮同化過程增強(qiáng)，可以利用光反應(yīng)吸收的一部分能量，有利于胞內(nèi)能量平衡的維持，減輕脅迫，幫助細(xì)胞實(shí)現(xiàn)快速生長。
在藍(lán)藻與外界進(jìn)行的物質(zhì)交換過程中，ATP依賴的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子蛋白復(fù)合體是不可或缺的。在高光條件下，相比于野生型6803，高光6803基因組中除了上述表達(dá)水平顯著上調(diào)的硝酸鹽、亞硝酸鹽和碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因外，差異化表達(dá)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子組分編碼基因的轉(zhuǎn)錄多數(shù)都上調(diào)了至少4倍(4.2–24.3倍)。因此，相比野生型6803，高光6803表現(xiàn)出更旺盛的跨膜物質(zhì)運(yùn)輸，這有助于其更高效地利用高光、快速生長、抵抗脅迫。
當(dāng)藍(lán)藻細(xì)胞受外界脅迫時(shí)，胞內(nèi)的DNA復(fù)制、修復(fù)、轉(zhuǎn)錄、重組等生化過程會受到不同程度的影響。在高光條件下，相比野生型6803，高光6803基因組中的編碼GIY-YIG核酸酶家族蛋白基因sll0441(SGL_RS18010)、編碼NgoFVII家族的限制性內(nèi)切酶基因slr6047(SGL_RS01585)的表達(dá)水平分別下調(diào)了80.8%與90.7%。編碼DNA解旋酶RecQ的基因recQ表達(dá)水平相比野生型6803下調(diào)了87.2%，已知依賴ATP的DNA解旋酶RecQ參與DNA復(fù)制、DNA修復(fù)、mRNA合成及RNA降解等過程。這或許提示我們，在面對脅迫時(shí)，相比野生型6803，高光6803耐受性更強(qiáng)，故其所受傷害更小，對DNA重組修復(fù)、錯(cuò)誤RNA降解的需求也更低。
相比野生型6803，在高光條件下，高光6803中特有的突變基因青霉素結(jié)合蛋白1B編碼基因sll1434(mrcA)的表達(dá)下調(diào)了79.2%；與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)相關(guān)的鞭毛基因pilT2的表達(dá)水平下調(diào)了80.0%。這提示我們，高光6803可通過改變或調(diào)控細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)來適應(yīng)環(huán)境變化、利用高光實(shí)現(xiàn)快速生長。
綜上所述，在對獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析后，我們發(fā)現(xiàn)在高光900μmol/(m2·s)條件下，為高效利用高光，維持胞內(nèi)能量、物質(zhì)代謝平衡，實(shí)現(xiàn)快速生長，高光6803幾乎調(diào)動(dòng)了所有功能途徑。例如，在光合作用的光反應(yīng)階段，高光6803胞內(nèi)PSII反應(yīng)中心蛋白D1、D2的合成能力增強(qiáng)，編碼發(fā)揮電子傳遞功能的細(xì)胞色素b6f復(fù)合體組分的基因表達(dá)上調(diào)；NADPH和NADH的利用和分解過程也被加快，以促進(jìn)從光能到化學(xué)能ATP的轉(zhuǎn)化；減輕光損傷，提升PSII的光化學(xué)活性。此外，在高光條件下，高光6803胞內(nèi)與固碳反應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)顯著上調(diào)，而糖酵解及磷酸戊糖途徑等脫碳反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)則顯著下調(diào)，由此可知，當(dāng)面對高光時(shí)，高光6803通過加強(qiáng)光合作用暗反應(yīng)中的固碳過程，加強(qiáng)可大量消耗能量的氮同化功能、脂類合成及跨膜物質(zhì)運(yùn)輸，減弱糖酵解及磷酸戊糖途徑等脫碳反應(yīng)，從而維持細(xì)胞能量-物質(zhì)代謝過程的總平衡，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞對高光的高效利用與快速生長。
圖6在900μmol/(m2·s)高光強(qiáng)下高光6803相對野生型6803的基因差異化表達(dá)以藍(lán)色表示基因表達(dá)下調(diào)，以紅色表示基因表達(dá)上調(diào)；PET：光合電子傳遞；FC：基因差異化表達(dá)的倍數(shù)；log2 FC>1。
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