光合作用可以將光能轉(zhuǎn)化為分子形式的化學(xué)能，并儲(chǔ)存于植物體內(nèi)，之后再將能量傳遞給各級(jí)消費(fèi)者，這一過(guò)程在全球生態(tài)系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。海洋的初級(jí)生產(chǎn)力大約同陸地相當(dāng)，其主要來(lái)源是藻類(lèi)植物的光合作用。藻類(lèi)的初級(jí)生產(chǎn)除了維持海洋中的食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)外，還在將CO2從水體表面向深海遷移過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。硅藻是海洋初級(jí)生產(chǎn)的最大貢獻(xiàn)者，?通過(guò)光合作用，這一類(lèi)群每年大約可以固定1016 gCO2，相當(dāng)于全球總固定量的20%。因此，研究硅藻的碳固定代謝途徑對(duì)于了解其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，深入理解碳的生物地球化循環(huán)具有重要意義。
近期來(lái)自中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院等處的研究人員以瑪氏骨條藻(Skeletonema marinoi)轉(zhuǎn)錄組信息為基礎(chǔ)，分析了其碳固定代謝途徑，共發(fā)現(xiàn)18種酶對(duì)應(yīng)的34個(gè)編碼基因，構(gòu)建了瑪氏骨條藻進(jìn)行碳固定代謝途徑的通路圖，闡明該藻在不同生長(zhǎng)周期碳固定代謝途徑對(duì)外界環(huán)境的分子響應(yīng)。
這些編碼基因的序列比對(duì)結(jié)果表明，其與假微型海鏈藻(Thalassiosira pseudonana)的同源基因具有較高的一致性。研究人員對(duì)這些樣品進(jìn)行數(shù)字基因表達(dá)譜的差異基因分析，獲得了不同生長(zhǎng)時(shí)期碳固定代謝途徑酶編碼基因的差異表達(dá)情況。
通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，C3和C4代謝途徑中存在表達(dá)差異的基因分別有7和3個(gè)，其中果糖-1,6-二磷酸酶和丙酮酸磷酸雙激酶的編碼基因表達(dá)在指數(shù)生長(zhǎng)期之后出現(xiàn)顯著上調(diào)。這有助于對(duì)瑪氏骨條藻碳固定代謝途徑中關(guān)鍵編碼基因調(diào)控過(guò)程的解析，為進(jìn)一步研究硅藻的固碳機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，也為深入了解碳的生物地球化循環(huán)提供了新的研究方向。
研究人員通過(guò)對(duì)瑪氏骨條藻轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和分析，發(fā)現(xiàn)存在18個(gè)與碳固定代謝途徑相關(guān)的酶及34個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼基因。序列比對(duì)結(jié)果表明，這些編碼基因與假微型海鏈藻有較高的序列一致性?；贙EGG注釋結(jié)果，分析了瑪氏骨條藻的碳固定代謝途徑，發(fā)現(xiàn)瑪氏骨條藻含有類(lèi)似于陸地C4植物CO2濃縮機(jī)制所需的全部酶類(lèi)，這是該類(lèi)群在CO2濃度限制環(huán)境下仍然可以形成很高初級(jí)生產(chǎn)力的主要原因。
此外，他們還通過(guò)比較瑪氏骨條藻不同生長(zhǎng)時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組以及KEGG差異分析的表達(dá)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在其碳固定代謝途徑中一些關(guān)鍵酶的編碼基因存在差異表達(dá)情況，其中C3途徑中決定碳素最終分配去向的果糖二磷酸醛縮酶的編碼基因在衰亡期有顯著上調(diào)表達(dá)，而C4途徑中的限速酶丙酮酸磷酸雙激酶的編碼基因在穩(wěn)定期和衰亡期也表現(xiàn)為顯著上調(diào)。這些編碼基因的表達(dá)變化可以影響磷酸烯醇式丙酮酸、果糖-6-磷酸以及核酮糖二磷酸等產(chǎn)物的產(chǎn)量變化，這是瑪氏骨條藻在種群數(shù)量變化過(guò)程中能量固定和產(chǎn)物分配的適應(yīng)性表現(xiàn)，同時(shí)也是應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的分子響應(yīng)。
這些能量固定和代謝途徑方面的發(fā)現(xiàn)，為今后從蛋白質(zhì)組、代謝組角度探索碳固定代謝途徑提供了新的思路，也為深入了解藻類(lèi)的碳固定代謝機(jī)制以及碳的生物地球化循環(huán)增添了新的認(rèn)識(shí)。
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