三角褐指藻中非典型C4途径及其生理功能

Diatoms are believed to be responsible for about 40% of the total carbon fixation in the oceans and play important roles in aquatic ecosystems and the global cycling of carbon. The mechanisms of carbon concentration in marine diatoms are controversial, and research on single-cell C4 photosynthesis in marine diatoms has yielded disparate results. Although biochemical data are suggestive of C4-assisted photosynthesis in Thalassiosira weissflogii, it is impossible to interpret the molecular mechanism since its genome is not available yet. For T. pseudonana, no decarboxylation enzyme has yet been identified in this diatom plastid stroma. We have identified two decarboxylation enzymes in the plastid of Phaeodactylum tricornutum, and one of them also localized on plasma membrane. Special location of the decarboxylation enzymes might give rise to special CO2 fixation and release pattern. In this project, carbon cycle mechanism and its function will be studied based on the analysis of localization of enzymes relating to C4 organic acid metabolisms in P. tricornutum, which aims to interpret the contribution of diatoms to carbon storage in coastal areas.

硅藻约占海洋初级生产的40%，在水生生态系统碳的生物地球化学循环中起着重要的作用。目前，对于硅藻碳固定是否利用C4途径尚无定论，许多实验结果相互矛盾。威氏海链藻是唯一被认为具有类似C4固定途径的微藻，但其基因组未被测序，因而其碳浓缩的分子机制尚不清楚。假微型海链藻和三角褐指藻的基因组序列已被测定，前者缺乏C4循环必需的、定位于叶绿体的脱羧酶。我们的实验表明后者的脱羧酶除在叶绿体中有分布，还存在于细胞表面。脱羧酶的特殊定位必然赋予三角褐指藻碳固定和释放的特殊路径，从而导致特定的生理功能。本申请项目拟从所有与C4途径相关酶的亚细胞定位入手，通过构建关键基因的过量表达或敲除藻株，分析C4途径相关酶的生理功能，揭示其可能特有的适应海洋无机碳环境的碳固定和释放的途径，阐述硅藻对近海碳循环的贡献。

硅藻约占海洋初级生产的40%，在水生生态系统碳的生物地球化学循环中起着重要的作用。目前，对于硅藻碳固定是否利用C4途径尚无定论，尤其是对已测序硅藻基因组中与C4途径相关酶的定位预测显示，均缺乏经典C4循环所必需的定位于叶绿体基质的脱羧酶，暗示硅藻的C4途径可能具有特定的生理功能。.我们以模式硅藻——三角褐指藻为材料，利用荧光标记结合与标志蛋白质的共定位实验及叶绿体与线粒体的非标记定量蛋白质组学分析，证实该硅藻中不含有叶绿体基质定位的脱羧酶。除两个定位于线粒体的脱羧酶外，苹果酸酶2（ME2）位于细胞质膜和叶绿体内质网膜（cERM），双定位的ME2分别行使释放和捕获无机碳的功能，特别是cERM中的ME2对于维持叶绿体外腔高pH值，进而防止CO2泄漏起重要作用。.研究发现，C4途径固定的无机碳并不能输送至1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶周围进入卡尔文循环。在光照及无机碳充足时，C4途径主要用于加速对无机碳的循环效率，耗散多余的碳源或能量。在黑暗条件下，C4途径固定的无机碳经草酰乙酸后生成天冬氨酸，与GS-GOGAT及尿素循环相偶联一起维系硅藻在长期黑暗下的存活。这一发现阐述了自养硅藻在黑暗条件下全新的无机碳、氮同化机制，利于认识黑暗生物圈新的生产者。