深海热液/冷泉区无脊椎动物不饱和脂肪酸合成新途径与深海高压环境适应关系研究

Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) are essential nutritionin in lots of important physiological processes, while marine animals, by far, have been reported to have limited ability to de novo biosynthesize PUFA. Chemosynthetic microbes are the primary produces in dark deep-sea hydrothermal vents and hydrocarbon seep, in which photosynthetic organics materials are quite rare. Symbiosis between vent or seep macro-faunal and chemosynthetic microbes is a common adaptive mechanism. The microbial biomass serves as either the major or the sole food source of the host, which has been usually reported to contain no PUFAs. However, vent or seep invertebrates were observed a variety of PUFA, implying these vent or seep invertebrates might have special pathways to de novo biosynthesize PUFA. Giant worm Riftia pachyptila，clam Calyptogena soyoae，mussel Bathymodiolus azoricus are representative vent or seep invertebrates. Previously, we had gotten high quality animal samples which would be used to study the biosynthetic pathway of PUFA in these species. Candidate genes involved in PUFA biosynthesis will be screened based on analysis of their transcriptome datas, and functionally characterized in yeast expression system, with the aim to clarify the possible biosynthetic pathway of PUFA in vent and seep invertebrates, as well as illuminate their adaption to high pressure environment.

多不饱和脂肪酸（PUFA）具有重要的生理功能，目前研究表明海洋动物不能从头合成PUFA。在黑暗的深海热液/冷泉区，缺乏海洋浅层光合作用产生的有机物，化能合成微生物是主要初级生产者，但缺乏PUFA合成能力，不能为高营养级动物提供PUFA及前体脂肪酸，而主要依赖共生的化能合成微生物提供营养的深海热液/冷泉区无脊椎动物则具有丰富的PUFA，暗示它们拥有独特的PUFA合成新途径。本申请项目拟以三种常见深海热液/冷泉区无脊椎动物（巨型管虫Riftia pachyptila，囊螂科蛤Calyptogena soyoae和贻贝Bathymodiolus azoricus）为对象，基于转录组分析筛查PUFA合成相关基因，并进行功能分析，研究它们PUFA合成途径及其脂肪酸组成在高压环境下的特性。研究成果有望阐明深海热液/冷泉区无脊椎动物新的PUFA合成途径，揭示它们对深海高压环境的适应性，具有重要理论意义。

多不饱和脂肪酸（PUFA）具有重要的生理功能，目前研究表明深海热液或冷泉区中的无脊椎动物含有丰富的多不饱和脂肪酸(包括非甲基间断脂肪酸)。在黑暗的深海热液/冷泉生态系统中，海洋浅层光合作用产生的有机物极度稀缺，作为初级生产者的化能合成微生物由于缺乏PUFA合成能力，不能为高营养级初级消费者无脊椎动物提供PUFA及PUFA前体，暗示了深海无脊椎动物可能拥有独特的PUFA合成途径。我们以三种常见深海热液/冷泉区无脊椎动物（巨型管虫Riftia pachyptila，贻贝Bathymodiolus azoricus和囊螂科蛤Archivesica packardana）为研究对象，基于转录组分析获得了PUFA合成相关基因。对贻贝B. azoricus PUFA合成相关基因进行系统的功能分析表明，贻贝FADS1X1和FADS2分别具有Δ5和Δ8活性，脂肪酸延长酶E2/5能催化C18脂肪酸生成C20脂肪酸，但催化效率很低，表明贻贝具有通过“Δ8候选途径”从PUFA前体脂肪酸合成PUFA如AA或EPA的能力，但合成效率较低；有意思的是贻贝E7能催化16:1n–7分别生成18:1n–7, 20:1n–7和22:1n–7。在酵母细胞中共表达E7和FADS1X1能检测到Δ5去饱和产物非甲基间断脂肪酸20:2n–7和22:2n–7，表明FADS1X1能催化20:1n–7和22:1n–7生成20:2n–7和22:2n–7。相对于AA和EPA的合成效率，贻贝B. azoricus合成非甲基间断脂肪酸的能力更强，这也解释了深海动物具有较高比例非甲基间断脂肪酸的原因。非甲基间断脂肪酸化学性质较为稳定，对深海极端高压、高温或酸性环境中维持细胞膜的稳定性具有重要作用。对管虫Riftia pachyptila去饱和酶分析表明管虫ω3去饱和酶能催化18:2n−6和 18:3n−6分别生成18:3n−3和18:4n−6，呈现Δ15去饱和活性，表明管虫具有部分合成前体脂肪酸的能力，对适应深海寡营养环境具有重要意义。