近日，中科院海洋所海藻遺傳與發(fā)育團隊在mSystems期刊發(fā)表題為“Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches”的研究論文。該論文綜合運用了宏組學、基因組學及異源功能驗證等方法解析海洋硅藻幾丁質(zhì)合酶，相關(guān)結(jié)果為幾丁質(zhì)合酶基因在各大洋及海洋真核微生物中的分布與豐度提供了新認識，也為硅藻β-甲殼素合成的生物學意義及調(diào)控機理研究打下了基礎(chǔ)。 

　　硅藻是海洋初級生產(chǎn)力的主要貢獻者，海洋吸收的CO2約有40%由硅藻固定，與熱帶雨林固碳量相當。甲殼素（又稱幾丁質(zhì)）是硅藻重要的碳積累產(chǎn)物，也是海洋環(huán)境中最重要的碳、氮來源。海洋每年可合成數(shù)十億噸甲殼素，其合成與降解對海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)起著關(guān)鍵作用。盡管1965年就有報道硅藻能夠合成甲殼素，但是半個多世紀以來的研究側(cè)重于細胞學觀察和化學結(jié)構(gòu)分析，未有從分子生物學手段解析硅藻甲殼素合成與降解機理的報道。 

　　前期，海洋所海藻遺傳與發(fā)育課題組與法國巴黎高等師范學院藻類基因組學團隊合作，在硅藻甲殼素代謝機理解析方面開展了原創(chuàng)性工作。結(jié)合多組學數(shù)據(jù)挖掘和特異基因（TpCDA、TwCDA）功能驗證，發(fā)現(xiàn)中心綱硅藻甲殼素相關(guān)代謝酶具有葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等復(fù)雜的細胞定位，CDAs基因豐度更高，對長鏈多聚甲殼素的催化能力更強，且同時具有幾丁質(zhì)脫乙酰酶和幾丁質(zhì)酶的活性，相關(guān)結(jié)果解釋了中心綱硅藻甲殼素及其衍生物高合成能力的潛在原因（New Phytologist, 2019；Marine Drugs, 2021），也為殼聚糖、殼寡糖的綠色工業(yè)制備提供了新的思路（BMC Plant Biology，2021；Metabolites，2023）。 

　　考慮到甲殼素對于全球碳氮循環(huán)的重要生態(tài)學意義，團隊又著眼于Tara Oceans全球采樣大數(shù)據(jù)，從硅藻宏轉(zhuǎn)錄組中挖掘了4939條甲殼素代謝關(guān)聯(lián)的基因序列，其中幾丁質(zhì)酶（Chitinase）主要存在于粒徑較大的硅藻種屬中，而幾丁質(zhì)結(jié)合蛋白（CBM_14）只在南大洋中有分布，表明其在極地環(huán)境中發(fā)揮某種特殊作用（圖1）。同時，通過檢索海洋真核微生物轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫（MMETSP）、PhycoCosm及PLAZA硅藻組學數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)除海鏈藻目之外，Mediophyceae和Thalassionemales或為潛在的β-甲殼素天然合成者。生物合成途徑機理研究繞不開關(guān)鍵基因的功能驗證，團隊利用兩種高效的異源遺傳轉(zhuǎn)化體系（釀酒酵母和三角褐指藻），驗證了假微型海鏈藻中幾丁質(zhì)合酶（TpCHS）具有催化甲殼素糖鏈合成的生物學功能。值得一提的是，在轉(zhuǎn)基因研究中，團隊發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，即三角褐指藻雖然能夠高效表達TpCHS1，但細胞形態(tài)異常，生長速率下降。結(jié)合激光共聚焦顯微觀察與細胞周期Marker基因表達量分析發(fā)現(xiàn)，TpCHS1定位于高爾基體與細胞膜系統(tǒng)，且與細胞分裂密切相關(guān)，而過表達株系生長速率下降可能與細胞周期調(diào)控中G2/M期檢驗點受到抑制有關(guān)（圖2）。 

圖1 甲殼素代謝相關(guān)基因在全球大洋的分布與豐度

圖2 TpCHS1亞細胞定位與Pt過表達株生長曲線及與細胞周期Marker基因表達量

　　中科院海洋所副研究員邵展茹為論文第一作者，段德麟研究員與Chris Bowler教授為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃及歐盟第七框架計劃等項目的資助。 

　　相關(guān)論文：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. 

　　論文鏈接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/msystems.01131-22