海洋所研究揭示CSN5調(diào)控海洋硅藻適應(yīng)高溫的新機(jī)制
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所藻類生理過(guò)程與精準(zhǔn)分子育種研究組在海洋硅藻適應(yīng)高溫環(huán)境的分子機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù),以海洋硅藻三角褐指藻為研究對(duì)象,通過(guò)敲除、回補(bǔ)和過(guò)表達(dá),揭示了COP9信號(hào)復(fù)合體關(guān)鍵催化亞基CSN5通過(guò)調(diào)控蛋白降解與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)維持,調(diào)節(jié)海洋硅藻適應(yīng)高溫環(huán)境的分子機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊The Plant Journal上。
近年來(lái),全球變暖持續(xù)加劇,海洋暖化及海洋熱浪等極端事件對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻影響。硅藻作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級(jí)生產(chǎn)力之一,對(duì)海洋生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要貢獻(xiàn)。然而,海洋硅藻在高溫條件下如何維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),其分子基礎(chǔ)仍知之甚少。研究團(tuán)隊(duì)首先基于TaraOcean 宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),CSN5同源基因廣泛分布于全球海洋浮游藻類中,且其轉(zhuǎn)錄豐度隨環(huán)境溫度升高而增加,表明CSN5可能參與海洋浮游藻類對(duì)升溫環(huán)境的適應(yīng)過(guò)程。進(jìn)一步研究顯示,CSN5在28℃高溫處理后被迅速誘導(dǎo)表達(dá),表現(xiàn)出顯著的溫度響應(yīng)特征。

圖1 三角褐指藻CSN5基因?qū)Σ煌瑴囟忍幚淼谋磉_(dá)響應(yīng)
為解析CSN5的功能,研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)構(gòu)建了CSN5敲除突變株。結(jié)果顯示,在高溫條件下,CSN5敲除株表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)抑制和細(xì)胞形態(tài)異常;而利用野生型藻株的CSN5基因進(jìn)行回補(bǔ)后,突變株在高溫下異常的生長(zhǎng)和形態(tài)表型得到明顯恢復(fù)。另外,CSN5過(guò)表達(dá)株在高溫條件下表現(xiàn)出更快的生長(zhǎng)速率和更高的生物量積累。這些結(jié)果表明,CSN5是維持三角褐指藻高溫適應(yīng)能力的重要調(diào)控因子。

圖2 基因回補(bǔ)及過(guò)表達(dá)藻株的生理表型
定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明,CSN5基因的敲除突變株在高溫條件下引發(fā)了顯著的蛋白表達(dá)重塑,差異蛋白主要定位于葉綠體、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核,并顯著富集于光反應(yīng)、Calvin循環(huán)、糖酵解、膜轉(zhuǎn)運(yùn)、核分裂和DNA修復(fù)等過(guò)程。多個(gè)光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ相關(guān)亞基以及部分捕光復(fù)合體蛋白在敲除株中明顯下調(diào),表明在高溫條件下CSN5對(duì)光合系統(tǒng)穩(wěn)定、能量代謝協(xié)調(diào)和細(xì)胞功能維持具有重要作用。研究還發(fā)現(xiàn),CSN5基因的缺失會(huì)干擾藻細(xì)胞的蛋白降解途徑并導(dǎo)致蛋白周轉(zhuǎn)失衡,從而破壞細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài);同時(shí),突變株在高溫下出現(xiàn)細(xì)胞膨大和形態(tài)變異,表明CSN5通過(guò)影響細(xì)胞骨架相關(guān)過(guò)程,協(xié)同維持細(xì)胞形態(tài)與生理功能的完整性?;谏鲜鼋Y(jié)果,我們提出了CSN5介導(dǎo)海洋硅藻高溫適應(yīng)的工作模型:CSN5通過(guò)調(diào)控蛋白周轉(zhuǎn)、光合作用、細(xì)胞分裂、膜轉(zhuǎn)運(yùn)和形態(tài)穩(wěn)態(tài),提升三角褐指藻對(duì)高溫環(huán)境的適應(yīng)能力。本研究從蛋白降解調(diào)控層面揭示了海洋硅藻適應(yīng)高溫的新機(jī)制,拓展了對(duì)海洋浮游藻類響應(yīng)高溫脅迫分子基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí),也為耐高溫海洋硅藻藻株的定向培育提供了新的分子靶標(biāo)。

圖3 CSN5介導(dǎo)的三角褐指藻高溫適應(yīng)生理響應(yīng)
論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士研究生李鑫,通訊作者為王廣策研究員和高山研究員。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(重大科技創(chuàng)新工程)、國(guó)家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目的資助。
論文信息:
Xin Li, Shan Gao*, Lu Zhou, Xiaoyue Zhang, Wenting Yang, Xuehua Liu, Songcui Wu, Xiujun Xie, Wenhui Gu, Guangce Wang* (2026) A CSN5-dependent protein degradation pathway underlies diatom resilience to high temperature. The Plant Journal 126: e70839
DOI: 10.1111/tpj.70839
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