中国科学院海洋研究所在硅藻甲壳素代谢研究取得新进展

近日,中科院海洋所海藻遗传与发育团队在mSystems期刊(影响因子9.04)发表题为“Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches”的研究论文。该论文综合运用多种方法解析了海洋硅藻中的几丁质合酶基因,相关结果揭示了几丁质合酶基因在各大洋及海洋真核微生物中的分布与丰度,为几丁质合成的生物学意义及调控机理的研究奠定了基础。

硅藻是海洋初级生产者的主要贡献者,约40%的海洋CO2由硅藻固定,与热带雨林固碳量相当。甲壳素是硅藻重要的碳积累产物,也是海洋环境中最重要的碳氮来源。海洋每年可合成数十亿吨甲壳素,其合成与降解对海洋生态系统的碳氮循环具有关键作用。虽然1965年就有报道硅藻能合成甲壳素,但半个世纪以来的研究集中在细胞学观察和化学结构分析,缺乏从分子生物学角度解析硅藻甲壳素合成与降解机理的报道。

此前,海洋所海藻遗传与发育团队与法国研究者Chris Bowler合作,在硅藻甲壳素代谢机理解析方面开展了创新工作。团队利用多组学数据挖掘和验证了特异基因(TpCDA、TwCDA)的功能,发现中心纲硅藻甲壳素相关代谢酶具有复杂的细胞定位,CDAs基因丰度更高,对长链多聚甲壳素的催化能力更强,且同时具有几丁质脱乙酰酶和几丁质酶的活性。相关结果解释了中心纲硅藻高甲壳素合成能力的潜在原因,也为壳聚糖和壳寡糖的绿色生产提供了新思路。

考虑到甲壳素对全球碳氮循环的重要生态学意义,团队利用TaraOceans全球大数据,从硅藻转录组中挖掘了4939条甲壳素代谢相关基因,发现几丁质酶主要存在于粒径较大的硅藻,而几丁质结合蛋白只在南大洋中有分布,表明其在极地环境中发挥某种特殊作用。同时,通过检索海洋真核微生物转录组数据库和硅藻组学数据集,发现除海链藻目外,Mediophyceae和Thalassionemales可能为β-甲壳素的天然合成者。为验证关键基因的功能,团队利用两种高效的异源遗传转化系统(酿酒酵母和三角褐指藻),证实了假微型海链藻中的几丁质合酶(TpCHS)具有催化β-甲壳素合成的生物学功能。有意思的是,在转基因研究中,团队发现TpCHS1定位于高尔基体与细胞膜,与细胞分裂密切相关,过表达株系生长速率下降可能与G2/M期检验点受到抑制有关。 

　　中科院海洋所副研究员邵展茹为论文第一作者，段德麟研究员与Chris Bowler教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划及欧盟第七框架计划等项目的资助。

　　相关论文：Shao ZR et al. 2023. Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches.mSystems, e011312223.

　　论文链接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/msystems.01131-22