基于转录组学的青藏高原鱼腥藻适应极端环境的分子机制

Interpretation of the genetic variation at the whole genome level has great significance for understanding how the plants adapt to the extreme environment conditions. The Qinghai-Tibet Plateau (QTP) is the highest biodiversity area under extreme environment in the world and provides an ideal natural laboratory for adaptive evolution study. In this project we will study the genetic mechanism of Anabaena sp. in QTP adapting to the extreme environment at genome and transcriptome level using functional genomics and bioinformatics methods. In our previous works, we have collected the Anabaena in the Namucuo Lake in Tibet, and then isolated, cultured and identified the strains (A. sp. NMC-1). Then we get the genome sequence of this strain, and found 70 genes under significant positive selection which correlation with anti-low temperature, UV resistant and salt tolerance pathways using evolutionary genomics. On this basis, we will study the gene expression change at transcriptome level using RNA-seq method under different conditions, and find the stress related genes. Then, the function of these genes will be verified using RT-PCR method. After all, this study will give some clues to understand the molecular mechanisms of Anabaena adapt to the low temperature and high UV radiation conditions in QTP.

诠释基因组水平的转录调控对于了解生物适应极端环境的科学问题具有十分重要的意义。青藏高原是全世界极端环境下物种最丰富的区域，提供了一个生物适应性研究的天然实验室。本项目选取基因组较为简单的青藏高原鱼腥藻作为研究对象，拟应用功能基因组学和生物信息学等方法通过对基因组以及转录组数据的综合分析，深入研究青藏高原鱼腥藻适应极端环境的遗传机制。在前期工作中，我们已经对世界上海拔最高的纳木错鱼腥藻株系（Anabaena sp. NMC-1）进行了分离培养，利用高通量测序技术得到了该藻株的基因组精细图，并通过比较基因组学方法找到了发生强烈正选择的70个逆境相关基因。在此基础之上，我们将利用RNA-seq技术研究不同条件处理下纳木错鱼腥藻转录组的基因表达变化，寻找重要的逆境相关基因，并利用RT-PCR技术进行功能验证。本项目力求在转录组水平深入了解纳木错鱼腥藻适应青藏高原低温与强紫外线等极端环境的分子机制。

青藏高原是全世界极端环境下物种最丰富的区域，提供了一个研究生物适应性进化的天然实验室。本课题以世界上海拔最高的大型盐湖——纳木错湖的鱼腥藻株系(Anabaena sp. NMC-1)作为研究材料，通过RNA-seq方法来测定纳木错鱼腥藻在不同环境处理（低温、强紫外线）下的转录组变化，研究该藻种适应青藏高原极端环境的分子机制。我们的研究发现A. sp. NMC-1藻株在低温处理条件下有大量基因的转录水平的发生变化，得到312个表达量发生明显变化(FDR <= 0.001)的基因，并进行了这些基因的功能分析。青藏高原还拥有世界上最强的紫外线辐射。我们发现A. sp. NMC-1藻株合成紫外吸收物质MAAs的O-MT基因发生了强烈正选择。同时在不同紫外线辐射强度下鱼腥藻转录组表达水平也发生了变化。我们综合正选择基因和紫外线处理下基因表达差异的结果，发现鱼腥藻对强紫外线的适应可能是通过合成MAAs化合物来实现的。因此我们接下来分离鉴定了A. sp. NMC-1藻株中的多种MAAs化合物成分，为后续抗紫外线化合物的应用提供了理论基础。总之，本项目通过对青藏高原鱼腥藻进行强紫外线和低温处理发现大量表达差异基因，并且与近缘的六种蓝藻基因组进行比较基因组学研究，结合该藻种特有基因、扩张与收缩基因、正选择基因和差异表达基因的结果，都说明信号转导途径（比如CheY receiver基因）、细胞膜合成(包括糖基转移酶、脂类合成基因)、次生代谢（MAAs合成基因）和能量代谢相关途径对鱼腥藻适应青藏高原极端环境有重要作用。