有害藻华形成过程中关键甲藻类群宏转录组学和宏蛋白质组学研究

This project will be focused on molecular basis and regulatory mechanism of harmful algal blooms (HABs) occurring in the Yangtze Estuary and its adjacent area in the East China Sea, a high-incidence area of HABs in China. On-site algal bloom tracking, ship-based mesocosm and laboratory simulation experiments are integrated with current dinoflagellate metatranscriptomic and metaproteomic approaches to compare differential expressions of metatranscriptomics and metaproteomics of key dinoflagellate species based on in situ gene and protein expression profilings during the different occurring stages of HAB,combining with the functional analysis of differentially espressed gene and protein sequences,to identify and characterize high abundant and/or specific genes or proteins and their functions.This project will also investigate the important biological and physiological processes occurring in dinoflagellate cells during different formation stages of HABs, to reveal their regulatory roles in formation of HABs and population succession of key dinoflagellate species, to discuss the molecular basis and regulatory mechanism of HAB formation, so as to break the bottleneck in HABs study and provide a model for the study of formation mechanism of HABs. Moreover, this prject will provide new insights into the formation and regulatory mechanism of HABs, as well as the potential application in prediction and prevention of HABs in future.

本项目围绕有害藻华形成的分子基础和调控机理，以我国有害藻华高发区东海长江口及其邻近海域为研究区域，采用现场藻华跟踪、船基围隔培养和实验室模拟相结合的研究手段，整合当前甲藻宏转录组学和宏蛋白质组学最新研究方法，从现场甲藻原位基因表达谱和蛋白表达谱比较研究有害藻华形成不同时期关键甲藻类群宏转录组和宏蛋白质组的差异表达，集合差异表达基因、蛋白序列和功能分析，寻找确认藻华形成期间甲藻细胞内高丰度和特异性表达基因、蛋白及其功能；研究藻华形成不同时期甲藻细胞内发生的重要生物学和生理学过程，揭示它们在有害藻华形成和关键甲藻类群演替中的调控作用，探讨有害藻华形成的分子基础和调控机理，以期突破国内外在这方面的研究瓶颈，为国内外研究有害藻华形成机制提供范例。研究成果将对揭示有害甲藻藻华形成机制和演替机理具有重要的理论意义，同时在有害藻华的预测预报及灾害防治等方面也有很大的潜在应用前景。

有害藻华是当前一个全球性的科学和环境问题。尽管在有害藻华形成的海洋学和生态学机制方面开展了大量研究，但对有害藻华形成和爆发的遗传基础和分子机理了解甚少，这很大程度上限制了我们对有害藻华形成机制的全面认识。.本项目围绕有害藻华形成的分子基础和调控机理，以我国有害藻华高发区东海长江口及其邻近海域为研究区域，采用现场藻华跟踪、船基围隔培养和实验室模拟相结合的研究手段，整合当前转录组学和蛋白质组学最新研究方法，主要开展了三个方面的研究工作：1）有害藻华形成过程中关键甲藻类群宏转录组和宏蛋白质组；2）关键甲藻类群对环境磷胁迫和变动的适应性响应机制；3）关键甲藻类群种群遗传多样及化感作用。取得主要结果如下：1）甲藻藻华发生前期原甲藻细胞中参与营养盐、光能、碳源和维生素利用以及细胞生长和抵御环境胁迫等基因高表达，这使得原甲藻获得竞争优势并导致藻华爆发；2）甲藻藻华爆发期间东海原甲藻细胞特异性表达C4同化途径蛋白、视紫红质蛋白、尿素循环蛋白、脲酶、碱性磷酸酶、磷脂酶、多肽和氨基酸转运蛋白以及多药抗性转运蛋白，维持藻华期间细胞的高活力和高竞争力；3）现场东海原甲藻细胞周期及细胞周期蛋白表达并未发生异常，蛋白质的周期时序性表达确保了细胞内各种代谢活动有序进行，藻华的发生是细胞生长累集结果，而非短时间内细胞爆发性增殖引起；4）关键藻华类群对环境磷胁迫和添加的响应存在差异，甲藻强有机磷利用能力是其在低无机磷条件下形成藻华的一个重要原因，细胞昼夜节律重构是细胞适应磷胁迫的一个重要机制；5）藻华高发区东海原甲藻存在较丰富的遗传多样性，某些亚种群在适宜环境条件下发展成为优势种进而爆发藻华，化感作用在藻华形成中起到一定的作用。. 本研究成果突破了国内外在有害藻华形成的分子基础和调控机理的研究瓶颈，对揭示有害甲藻藻华形成机制和演替机理具有重要的理论意义，在有害藻华的预测预报及灾害防治等方面也有很大的潜在应用前景。