海洋浮游硅藻碳酸酐酶的环境调控机制研究

碳酸酐酶是一种含Zn金属酶，在CO2和HCO3-相互转化的可逆反应中起催化作用,是海洋海洋浮游硅藻无机碳浓缩机制的重要组成部分,在海洋浮游硅藻碳运输和碳代谢中起重要作用。本项目分别选择有代表性的海洋常见浮游硅藻赤潮种类和非赤潮种类作为实验材料，比较两类群之间生长、光合固碳速率与碳酸酐酶的相关性；利用PCR技术克隆碳酸酐酶基因，比较赤潮与非赤潮硅藻碳酸酐酶基因序列的差异；利用Northern blot和Western bolt技术，测定在不同环境条件下赤潮硅藻与非赤潮硅藻碳酸酐酶基因转录水平（mRNA含量）和酶蛋白表达量，从蛋白和分子水平揭示影响碳酸酐酶表达调控的主要环境因子。通过以上研究阐明浮游硅藻碳酸酐酶的环境调控机制和从碳酸酐酶的角度揭示赤潮硅藻的生存策略，同时也有助于正确认识碳酸酐酶在海洋浮游硅藻光合固碳和海洋碳循环中的重要作用。

碳酸酐酶（CA）主要催化CO2和HCO3-相互转化的可逆反应，在海洋浮游硅藻光合固碳中起重要作用。本项目以常见海洋浮游硅藻作为实验材料，研究了不同海洋硅藻无机碳利用与碳酸酐酶的关系；克隆了中肋骨条藻碳酸酐酶基因；探讨了不同硅藻碳酸酐酶对环境因子（包括硅、铁、氮、磷等）的响应机制。结果表明，N、P浓度的变化明显影响中肋骨条藻无机碳的利用，同时高N、P浓度下藻细胞质膜氧化还原活性增加有利于碳酸酐酶活性的激活。低N、P浓度下CA活性明显降低；盐度升高对小新月菱形藻生长和光合作用具有明显抑制作用，但小新月菱形藻可以通过调整胞外碳酸酐酶活性、对无机碳的亲和力和光系统II的能量流动与能量利用效率以应对高盐度的胁迫。中肋股条藻胞外碳酸酐酶活性和对无机碳的亲和力在硅浓度高于1μmol•L-1时明显升高，pH补偿点、质膜氧化还原活性则随着硅浓度的升高略有上升。在铁浓度为0.1-100nmol•L-1范围内，随着培养液中铁浓度的升高，pH补偿点、质膜氧化还原活性升高，当铁浓度高于50nmol•L-1时，中肋骨条藻的比生长速率、光饱和光合速率和胞内外碳酸酐酶活性明显升高，而对无机碳的亲和力略有下降。中肋骨条藻通过调整光合速率、无机碳利用和碳酸酐酶活性适应海水中铁和硅浓度的变化。N或P限制培养的三角褐指藻的胞外CA活性和质膜氧化还原活性均随着CO2浓度的增加明显增加。高CO2浓度培养三角褐指藻的pH补偿点有所下降。在N或P限制条件下，藻细胞可以通过调节无机碳利用方式和碳酸酐酶活性适应高CO2浓度环境。在N或P限制环境中，高光强导致生长的促进作用被减弱，用于光合作用的能量有所减少，能量的利用效率降低，同时藻细胞提高碳酸酐酶的活性以适应高光强环境。