蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002适应强光环境机理的研究

蓝藻是地球上最古老的光合放氧微生物，在地球大气圈的成分由无氧到有氧的转变的过程中起了关键作用。一般蓝藻最适光合作用光照强度在200-1000μMol m-2 s-1，光强过高会导致光抑制。我们的研究发现，海洋蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002可以在极端的高光强下( 3500 μMol m-2 s-1)正常生长。我们将利用二代测序技术进行转录组学的研究，比较正常光照和强光光照下Synechococcus sp. PCC 7002全基因组转录谱，从而获 得编码区和非编码区表达差异的信息，并利用这些信息鉴定与强光适应相关基因和推测其生物学功能。同时，也对非编码RNA在强光适应中的作用进行探讨。在此 基础上，了解光合生物适应强光的生物学机理。我们还将利用已建立的全基因组突变体库对这些关键基因进行遗传学研究，确认其在适应强光的机理。

光合作用是生物圈最基础也是最重要的能量转化过程，它使光能转化为化学能，提供地球上大部分生命活动的能量。然而，光能不仅是光合作用的基本动力，同时也是一种重要的胁迫因素。由光诱导产生的光合效率下降，也称光抑制，普遍存在于有氧光合作用的生物中，如高等植物、真核藻类以及光合细菌等。蓝藻是最古老的进行光合作用的原核生物，因为它们的细胞结构简单，生长速度快，便于进行遗传操作，因此成为特别适合研究光合作用的模式生物之一。Synechococcus sp. PCC 7002是目前报道的生长速度最快的蓝藻，且能耐受极高的光强。因此本研究通过功能基因组学的工具和手段对Synechococcus 7002 强光适应的模式进行了深入的分析。.本研究首先利用二代测序技术对Synechococcus 7002在3个不同光照条件的6个RNA样品进行测序，得到了超过3400万条的高质量在基因组上特异匹配的非rRNA reads (81bp)，对Synechococcus 7002基因组的覆盖度高达130倍，几乎可以检测到Synechococcus 7002全部预测的基因。我们根据reads比对到基因组和基因上的信息，绘制了Synechococcus 7002全基因组水平的转录图谱。基于RNA-Seq数据，在全基因组范围内分析了其转录组的基本特征：确定了955个基因的5’UTR和493个基因的3’UTR区域；鉴定了操纵子结构和组成，以及1086个共表达的基因对，为探讨细菌转录组的协同调控提供了基础；分析了单个细胞内mRNA的绝对转录水平，发现在细菌包括蓝藻中，mRNA绝对转录水平连续分布可能是一种普遍的现象。.构建了基于不同光照条件的RNA-seq分链的测序文库，通过高通量测序，分析了Synechococcus 7002强光适应条件基因的差异表达，鉴定了526个（Fold-change≥ 2或 ≤ -2 且p-value≤0.05）差异表达的基因，其中高光条件下转录上调的有311个，转录下调的有215个。GO 功能分析和 KEGG 代谢途径分析表明编码藻胆体亚基以及PSI亚基的基因显著下调，与PSⅡ快速周转、CO2固定以及应对光损伤的保护机制相关的基因显著上调。在转录水平对Synechococcus 7002强光适应基因的表达调控模式进行探讨，结果表明细胞在强光条件下调整相关生命活动基因的转录水平以