铁限制下非编码RNA对束毛藻基因表达调控的分子机制研究

Ocean primary productivity is fundamentally governed by Trichodesmium, the most abundant N2-fixing microorganism in the open ocean. About ~40% of Trichodesmium genome is non-coding region where most regulatory elements (such as ncRNAs) important for proper gene expression exist. While iron (Fe) is a major limiting factor for phytoplankton growth in the tropical and subtropical oceans, no whole-genome expression and regulation profiling on cellular response to iron stress has been performed to date in any marine diazotrophic cyanobacteria. In this proposed study, we aim to elucidate the molecular mechanism of ncRNA regulation of Trichodesmium gene expressions under iron limitation, through transcriptom analysis conducted for both laboratory culture and natural populations. Given its special status in global biogeochemical cycles, addressing the adaptive and regulatory mechanism of Trichodesmium towards iron stress from a whole-genome perspective, is of great significance in fostering our understanding of Trichodesmium adaptation to future ocean under global change context.

束毛藻是开放大洋中数量最多的固氮微生物，其固氮能力直接影响到海洋的初级生产力水平。束毛藻近40% 的基因组序列为非编码区，其中极有可能包含对基因表达有重要调控作用的元件（如ncRNAs）。铁是热带、亚热带海域浮游植物生长的主要限制因子，但迄今为止还没有在海洋固氮蓝藻中进行的研究细胞对铁限制响应的全基因组表达与调控的报道。本项目将通过对束毛藻进行的实验室及天然海区模拟实验，开展束毛藻对铁限制响应的转录组学研究，阐明铁限制下ncRNAs对束毛藻基因表达调控的分子机制。鉴于束毛藻在全球生物地球化学循环中的特殊地位，从全基因组角度研究束毛藻对铁这一重要生态限制因子的适应与调节机理，对进一步了解束毛藻在全球变化大背景下适应未来海洋环境具有重要的理论价值和现实意义。

束毛藻是热带、亚热带寡营养海域重要的固氮类群之一，其固氮速率受痕量元素铁的限制，因而直接影响到海洋的初级生产力水平。研究缺铁对束毛藻基础代谢的影响、以及束毛藻对环境中可利用铁的获取机制，对评估海洋固氮生物、尤其是浮游植物的初级生产活动具有重要的生态学意义。本项目通过室内模拟铁限制培养实验、现场铁加富原位培养实验、以及对南海寡营养海区固氮微生物生态型的多样性调查，系统研究了束毛藻在铁限制/铁充分条件下对可利用铁的动态适应及其调控机制。转录组RNA-Seq测序表明，当铁浓度增加时，束毛藻通过上调与光合电子传递、固氮、铁硫簇合成、卟啉与叶绿素合成等相关基因的表达，以促进碳氮磷硫等中心代谢途径；同时，细胞内铁转运由耗能的主动运输变为以不耗能的被动运输为主，过多的铁被转变为含铁蛋白储存起来。基于转录起始位点（TSS）的初级转录组dRNA-Seq测序鉴定出多个非编码RNA（ncRNAs），与全局性铁和氮平衡因子Fur与NtcA协同作用，调控与铁胁迫响应、铁吸收同化相关的差异基因表达。基于固氮酶基因nifH的高通量测序及实时荧光定量PCR结果表明，束毛藻是南海北部及吕宋海峡主要的固氮生态类型，具有较高的固氮活性且表现出显著的昼夜节律，其分布与丰度很大程度上受黑潮海水入侵影响。研究结果创新性地阐明了束毛藻对可利用铁的适应机制，筛选到一系列可用来指示环境中铁可利用程度的重要靶向指示基因，深化了对中国南海固氮微生物多样性与生态韧性的认识，为寡营养海区的相关研究提供了重要数据支持和科学参考。