近日，汕頭大學海洋生物研究所洪婷、莫杰章博士為第一作者，杜虹教授為通訊作者，在《Plant, Cell & Environment》期刊發(fā)表題為《Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation》的研究論文。該研究以模式生物海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum（原核藻類，P. tricornutum）對象，置于熱脅迫（25℃，對照組為20℃）下400天（約400代），運用多組學分析方法（包括轉錄組學、基因組學和表觀遺傳學）揭示了海洋硅藻適應長期海洋變暖（Ocean Warming, OW）的調控機制。研究發(fā)現，海洋硅藻通過資源分配權衡（如光合作用、氮代謝、核糖體合成與翻譯、碳代謝和熱激響應的調控）以及表觀遺傳調控（特別是組蛋白修飾H3K27me3對轉座元件的調控）以響應長期熱脅迫。
標題：Multi-Omics Analysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term Ocean
Warming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation（多組學分析揭示了海洋硅藻對長期海洋變暖的響應策略：資源分配權衡和表觀遺傳調控）
發(fā)表時間：2025-03-30
發(fā)表期刊：Plant, Cell & Environment（PLANT CELL ENVIRON）
影響因子：IF6.3/Q1
技術平臺：ChIP-seq等
本研究通過基因組學和轉錄組學測序分析表明海洋硅藻在響應長期海洋變暖過程中，基因和轉錄水平上對資源分配（如光合作用、氮代謝、核糖體合成與翻譯、碳代謝和熱激響應）的調控與蛋白質、碳水化合物和顆粒有機碳積累、脂質含量降低以及細胞體積增大有關。組蛋白修飾（H3K27me3）ChIP-seq和轉錄組數據集的綜合分析揭示了轉座元件以及通過組蛋白修飾對轉座元件的表觀遺傳調控在P. tricornutum響應長期熱脅迫中的潛在作用。這些機制上的見解可能有助于未來對海洋變暖引發(fā)的對海洋浮游植物影響的建模和預測。
易小結
這項研究展示了多組學技術在研究生物對環(huán)境變化響應中的強大潛力。通過綜合運用多種組學技術，研究人員能夠從多個層面揭示生物的適應機制，從而為環(huán)境生物學研究提供了新的方法和思路。如轉錄組學可以揭示基因表達的變化
基因組學可以鑒定基因組水平上的變化，而表觀遺傳學則可以進一步揭示這些變化背后的調控機制。這種多組學方法可以應用于研究其他生物對各種環(huán)境壓力（如干旱、鹽脅迫、污染等）的響應，從而為保護生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康提供科學依據。
研究方法
1、長期熱脅迫處理：將P. tricornutum培養(yǎng)在20°C（對照組）和25°C（熱脅迫組）下約400天。
2、生理和生化測量：收集藻類樣本檢測藻類生長率和Fv/Fm（最大熒光效率），測定葉綠素a（Chlorophyll a, Chl‐a）含量，測定呼吸（Respiration, Rd）速率和凈光合（Net Photosynthesis, Pn）速率。收集藻類樣本檢測可溶性糖（Soluble
Sugars, SS）、可溶性蛋白（Soluble Proteins, SP）、丙酮酸（Pyruvate, PA）和氨基酸含量。
3、全基因組重測序：提取藻類細胞的基因組DNA進行全基因組重測序，并篩選出具有顯著選擇性的區(qū)域和候選選擇基因。
4、RNA測序：轉錄組測序，并篩選出差異表達基因（DEGs），進行基因富集分析。
5、染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）：為研究H3K27me3在P. tricornutum響應熱脅迫中的潛在作用，進行ChIP-seq測序。進行差異富集分析，鑒定差異peaks，并對鄰近基因進行KEGG分析。
6、轉移實驗：在長期熱脅迫400天后，將藻類轉移到20°C和25°C兩個溫度下，進行為期14天的半連續(xù)培養(yǎng)。分別測定對照組和熱選擇組在20°C和25°C下的生長率、Fv/Fm、光合作用和呼吸作用。同時，收集藻類細胞，通過qPCR和ChIP-qPCR驗證目標基因的表達和富集。
結果圖形
（1）長期熱脅迫下P. tricornutum的生長和生理
在長期熱脅迫的400天內，P. tricornutum的比生長率和Fv/Fm出現動態(tài)變化。熱脅迫在第7天未影響比生長率，但在第134-175天顯著降低，到第400天恢復到對照水平。Fv/Fm在第7-175天顯著降低，隨后增加并在第400天恢復到對照水平。轉移實驗表明，與對照組相比，熱脅迫組的Fv/Fm在25°C下受到抑制，而長期熱脅迫后的TSe-25°C組未觀察到顯著變化。熱脅迫組的Chl-a含量在第14天顯著增加，但在第400天恢復到對照水平。長期熱脅迫后，TSe-25°C組的凈光合速率顯著增加16%，而呼吸速率未受影響。研究結果表明，P. tricornutum在長期熱脅迫后實現了光合作用的適應。
（2）長期熱脅迫下的生化和形態(tài)變化
長期熱脅迫后，TSe群體的細胞寬度顯著增加，而細胞長度無顯著差異，表明細胞大小增加。與對照組相比，TSe處理組的可溶性糖（SS）和可溶性蛋白（SP）含量分別顯著增加了42%和26%，而中性脂質含量顯著降低了22%。同時，丙酮酸和氨基酸含量分別顯著增加了53%和23%。此外，每細胞的顆粒有機碳（Particulate Organic Carbon, POC）和顆粒有機氮（Particulate Organic Nitrogen, PON）含量分別增加了23%和24%。
（3）長期熱脅迫下的基因選擇（Gene Selection）
全基因組重測序結果顯示，與對照組相比，熱脅迫組的核苷酸多樣性（π）降低，而遺傳分化（Fst）較小。通過篩選出具有顯著選擇性的區(qū)域，鑒定了720個潛在的選擇基因。這些基因主要參與核糖體生物合成、光合作用、碳水化合物代謝和RNA剪接等生物學過程，以及碳水化合物代謝、能量代謝和氨基酸代謝等KEGG通路。
（4）長期熱脅迫后P. tricornutum的轉錄組特征
轉錄組測序（RNA-seq）結果顯示，與對照組相比，熱脅迫組有1181個差異表達基因（DEGs），其中894個上調，287個下調。這些DEGs主要參與光合作用、基因轉錄、DNA復制、蛋白運輸、核糖體生物合成和熱激響應等生物學過程，以及核糖體生物合成、同源重組、DNA復制、RNA聚合酶和光合生物中的碳固定等KEGG通路。
（5）基因組學和轉錄組學數據的綜合分析
綜合分析基因組學和轉錄組學數據，發(fā)現65個基因在基因組和轉錄組水平上均發(fā)生顯著變化，其中49個上調，16個下調。這些基因包括與熱激響應（如編碼分子伴侶Dnaj樣蛋白的hsp40a）、轉座元件（如CoDi2.2、CoDi4.2等）、核糖體和剪接體（如ddx31、krr1和ytm1）、光合作用（如編碼碳酸酐酶的can）和呼吸作用（如編碼丙酮酸羧化酶的pyc2）相關的基因。
（6）長期熱脅迫下的組蛋白修飾（H3K27me3）
ChIP-seq分析結果表明，與對照組相比，熱脅迫組的H3K27me3修飾水平在全基因組范圍內沒有差異，但在熱脅迫組中發(fā)現了更多短富集peaks。在所有樣本中，H3K27me3修飾區(qū)域主要分布在啟動子區(qū)域，并在轉錄起始位點±500bp處富集。與對照組相比，熱脅迫組中有735個基因的H3K27me3水平更高，而79個基因的H3K27me3水平更低。這些候選基因主要參與甘露糖型O-甘露糖的生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸的相互轉化、嘌呤代謝和植物-病原體互作等通路。綜合分析ChIP-seq和RNA-seq數據集發(fā)現，在長期熱脅迫下，大多數Ty1/copia轉座元件（如CoDi4.2、CoDi4.3等）在轉錄水平上顯著上調。特別是CoDi4.2的轉錄表達最為活躍。P. tricornutum的H3K27me3在轉座元件上高度富集，約40%的轉座元件被標記。在長期熱脅迫下，12個具有較低H3K27me3修飾的Ty1/copia轉座元件在轉錄水平上顯著上調。進一步分析CoDi4.2在對照組（20°C）和熱脅迫組（25°C）培養(yǎng)14天的轉錄水平和H3K27me3修飾水平的動態(tài)變化。與對照組（20°C處理）相比，熱脅迫組（25°C處理）的CoDi4.2表達活躍，而H3K27me3修飾水平顯著降低。此外，與25°C處理相比， 20°C處理的CoDi4.2轉錄水平受到抑制，而H3K27me3修飾水平增加。這些結果表明，轉座元件的轉錄表達可能受H3K27me3調控。
討論和啟示
本研究表明，模式生物硅藻P.
tricornutum通過遺傳和表觀遺傳機制在長期海洋變暖下恢復其光合作用效率，并達到新的代謝狀態(tài)以適應。具體而言，光合作用固定的有機碳以減少脂質合成為代價，更有可能被分配到蛋白質和碳水化合物的生物合成中。值得注意的是，通過組蛋白修飾（特別是H3K27me3）對轉座元件的表觀遺傳調控可能在硅藻適應高溫中提高遺傳多樣性方面發(fā)揮基礎性作用。這些在遺傳和表觀遺傳水平上的機制見解可能有助于未來對海洋變暖對海洋浮游植物影響的建模和預測。除了全球變暖外，還有其他壓力因素可能在生態(tài)場景下影響海洋浮游植物。因此，未來對海洋浮游植物在多種環(huán)境壓力因素（例如變暖、海洋酸化、缺氧和低/高鹽度）的綜合影響下的適應響應和機制的研究是必要的。
ChIP-seq測序技術在本研究中的重要作用在于揭示了組蛋白修飾H3K27me3在P. tricornutum適應長期熱選擇中的潛在作用，特別是對轉座元件的調控。通過ChIP-seq技術，研究人員能夠鑒定出在長期熱選擇下，H3K27me3修飾水平發(fā)生變化的基因區(qū)域，從而揭示了表觀遺傳調控在海洋硅藻適應長期海洋變暖中的重要性。
參考文獻：
HongT, Mo J, Li T, Huang N, Liu W, Liang H, Pei P, Li P, Chen J, Du H. Multi-OmicsAnalysis Reveals Adaptation Strategies of Marine Diatom to Long-Term OceanWarming: Resource Allocation Trade-Offs and Epigenetic Regulation. Plant CellEnviron. 2025 Mar 30. doi: 10.1111/pce.15482.
