速生集胞藻6803光合放氧速率、生長曲線及基因組分析（四）
本研究獲得的高光6803基因組測序數據的序列覆蓋度達到100.0%。首先，在與參考基因組進行比對分析后，共有11個插入/缺失突變(insertion-deletion，Indel)及115個單堿基突變(single nucleotide variants，SNV)從高光6803基因組中篩出。對上述SNV及InDel突變進行分析，發現在基因組和內源質粒上共有19個非同義SNV突變。其次，為確保基因組測序結果準確，我們擴增了這19個非同義SNV突變及11個InDel突變，并對PCR產物進行再測序，以排除假陽性。通過基因組測序數據與PCR再測序數據的交叉比對，篩選出20個有義突變。
已知在NCBI基因組數據庫中除了我們選定的參考基因組序列(GCF_000009725.1，BA000022.2)外，還有其他10組集胞藻基因組序列數據。為明確上述20個有義突變是否為高光6803所特有，我們將這些突變與其他10組集胞藻6803突變株基因組序列、已發表的期刊數據進行交叉比對，最終篩選到2個僅存于高光6803基因組的突變(表1)，其余18個有義突變或已存在于NCBI數據庫，或已在期刊文獻中已報道。
為進一步驗證表1中的2個基因突變是否僅存在于高光6803中，并且穩定存在，我們又從本實驗室野生型6803和來自中國科學院遺傳發育研究所汪迎春實驗室的野生型6803基因組中PCR擴增表1中2個基因的同名片段并測序。比對結果顯示，表1中的2個基因突變僅存在于高光6803基因組中。
經分析基因注釋發現，高光6803特有的2個突變基因均編碼功能蛋白。其中基因slr0947編碼轉錄因子RpaB，該轉錄因子可響應外界光強變化，調控相關基因的轉錄；基因sll1434(mrcA)編碼青霉素結合蛋白1B。而青霉素結合蛋白1B與藍藻細胞壁中肽聚糖的合成和結構相關，在集胞藻6803中青霉素結合蛋白1B是必不可少的。高光6803特有的2個基因突變可能與細胞適應高光并利用高光快速生長相關，這可為研究速生藍藻的共性機制及光合作用效率提供改造靶點。
表1高光6803的特有基因突變
小結
高光6803基因組中有2個特有基因突變。
2.5高光條件下高光6803與野生型6803轉錄組學比較分析
為揭示高光6803在高光下快速生長、光化學活性更高的機制，我們對2株集胞藻6803進行轉錄組分析。
首先對900μmol/(m2·s)高光條件下2株藻的轉錄組數據進行了初步整理。如圖5所示，相較于野生型6803，高光6803共有77個差異表達基因，其中41個表達下調，另外36個表達上調。結合KEGG數據庫給出的相關信息，上述77個差異表達基因可被歸類于17個功能途徑，其中大部分與能量-物質代謝、環境因子響應有關。與物質代謝途徑相關的基因有50個，占總數的64.9%；與環境因子響應相關的基因有21個，占總數的27.3%，其中8個與雙組分調控系統(two-component system，TCS)有關，13個與依賴ATP的ABC轉運子相關；另有6個基因與細胞膜的形成、DNA修復及RNA降解等相關，占比為7.8%。對碳、氮代謝相關基因的表達情況分析后，發現高光6803基因組上與碳、氮同化相關的基因的表達水平均上調，與有機物降解利用相關的基因的表達水平則均下調。已知離子跨膜轉運及碳、氮元素同化代謝都消耗大量能量，因此這一轉錄組學分析結果可以初步解釋高光條件下高光6803未發生光抑制且能夠快速生長的原因，即通過跨膜離子轉運及碳、氮元素同化代謝消耗胞內多余能量，減輕光抑制、光損傷對細胞造成的傷害。另一方面，相較于野生型6803，高光6803借助加強的能量-物質代謝，將來自高光的能量更有效地進行利用，提供充足的能量供給用于胞內的物質同化代謝；同化能力越強，則積累的生物量越多，生長亦越快。綜上所述，相較于野生型6803，高光6803在高光培養條件下未表現出明顯的光抑制或者光脅迫，通過增強的光合作用過程，吸收的光能被快速轉化為化學能，為元素同化作用提供充足能量，增強的能量-物質代謝循環也為避免光損傷、加快細胞生長提供助力。
圖5在高光強900μmol/(m2·s)下高光6803與野生型6803在不同代謝途徑中的差異表達基因分布
為進一步解析高光6803利用高光快速生長的機制，我們對高光6803轉錄組數據中相比野生型6803表現出差異化表達的基因按其在能量-物質代謝循環中的位置、生理結構與功能進行分組(圖6)。如圖6所示，在900μmol/(m2·s)高光條件下，相較于野生型6803，高光6803的差異表達基因主要分布在光合作用、能量代謝、碳/氮代謝途徑、跨膜物質轉運、DNA損傷修復、調控響應等模塊中。可知高光6803通過調控整個細胞的能量-物質代謝平衡實現野生型6803更高效的高光利用與快速生長。
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