海洋甲藻碳同化机制及其在藻华形成过程中的作用

This project will focus on carbon assimilation mechanisms of marine dinoflagellates, two typical dinoflagellate-causing bloom species along the coast of China, and Prorocentrum donghaiense and Alexandrium catenella will be selected as the model species for the study. Laboratory culture experiment, shipboard mesocosm and in situ dinoflagellate bloom tracing will be adopted in this project. Real-time quantitative PCR (q-PCR) and stable isotope mass spectrometry, combined proteomic analysis, will be applied to comparative study genes and proteins involved in C3 and C4 assimilation pathway of dinoflagellate cells, and their expression and abundance under different CO2 concentrations and different bloom formation stages will be investigated. Combined with the analysis of assimilation enzyme activities and stable carbon isotope abundances, this project will reveal carbon assimilation pathways of marine dinoflagellates and their regulation mechanism, and discuss the roles of different carbon assimilation pathways in the life activities of marine dinoflagellates and bloom formation of dinoflagellates. The results of this project will have important theoretical significance in unveiling important life activities of marine dinoflagellates, as well as formation and succession mechanisms of dinoflagellate blooms.

本项目将围绕海洋甲藻碳同化机制，以我国近海典型甲藻藻华种东海原甲藻和链状亚历山大藻为研究对象，采用实验室培养实验、船基围隔培养和现场藻华跟踪等实验手段，利用实时荧光定量PCR（q-PCR）技术和稳定同位素质谱技术，结合蛋白质组分析，比较研究两株甲藻细胞内参与C3和C4同化途径的基因和蛋白质，以及它们在不同CO2浓度和藻华形成不同时期的表达和丰度，结合细胞内碳同化酶活性和碳稳定同位素丰度分析，揭示甲藻细胞碳同化途径及其调控机制，探讨不同碳同化途径在甲藻生命活动和藻华形成过程中的作用。研究结果将对揭示甲藻重要生命活动规律和甲藻藻华形成、演替机制具有重要的理论意义。

有害甲藻藻华是当前一个全球性的科学和环境问题。尽管在有害甲藻藻华形成的生理生态学研究开展了大量工作，但主要集中在氮磷营养方面，对甲藻的碳代谢研究较少，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。本项目围绕典型甲藻藻华种碳同化机制，采用海区调查和实验室培养手段，整合生理生态学、qPCR、宏蛋白质组学和碳稳定同位素比质谱研究方法，主要开展了两个方面的研究工作：1）海区东海原甲藻藻华过程宏蛋白质组；2）室内纯种东海原甲藻对不同浓度CO2、不同氮源和不同温度的生理和分子响应机制，主要的研究结果如下：1）高效的碳同化和有机营养物质协同机制是东海原甲藻藻华长时间维持的重要机制；2）从基因、蛋白质、催化酶活性和碳稳定同位素层面，证实东海原甲藻存在C4途径且在藻华推进过程中被诱导高表达；3）同无机氮源一样，东海原甲藻可高效利用尿素和天冬氨酸作为氮源，且有机氮源显著下调碳同化基因表达量和催化酶活性，缓解胞内CO2浓缩的压力；4）东海原甲藻最适生长温度为25℃，此温度下细胞碳同化基因表达量和催化酶活性最高。本研究首次证实了东海原甲藻中存在C4光合途径，分析了C4途径在藻华维持中的重要作用及其在不同生境下的表达模式，对甲藻类群碳同化机制和有害甲藻藻华形成机制等方面的研究具有重要理论意义，在有害藻华的灾害防治方面有很大的潜在应用前景。