光合作用可以將光能轉(zhuǎn)化為分子形式的化學(xué)能，并儲存于植物體內(nèi)，之后再將能量傳遞給各級消費(fèi)者，這一過程在全球生態(tài)系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。海洋的初級生產(chǎn)力大約同陸地相當(dāng)，其主要來源是藻類植物的光合作用。藻類的初級生產(chǎn)除了維持海洋中的食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)外，還在將CO2從水體表面向深海遷移過程中發(fā)揮了重要作用。硅藻是海洋初級生產(chǎn)的最大貢獻(xiàn)者，?通過光合作用，這一類群每年大約可以固定1016 gCO2，相當(dāng)于全球總固定量的20%。因此，研究硅藻的碳固定代謝途徑對于了解其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，深入理解碳的生物地球化循環(huán)具有重要意義。
近期來自中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院等處的研究人員以瑪氏骨條藻(Skeletonema marinoi)轉(zhuǎn)錄組信息為基礎(chǔ)，分析了其碳固定代謝途徑，共發(fā)現(xiàn)18種酶對應(yīng)的34個編碼基因，構(gòu)建了瑪氏骨條藻進(jìn)行碳固定代謝途徑的通路圖，闡明該藻在不同生長周期碳固定代謝途徑對外界環(huán)境的分子響應(yīng)。
這些編碼基因的序列比對結(jié)果表明，其與假微型海鏈藻(Thalassiosira pseudonana)的同源基因具有較高的一致性。研究人員對這些樣品進(jìn)行數(shù)字基因表達(dá)譜的差異基因分析，獲得了不同生長時期碳固定代謝途徑酶編碼基因的差異表達(dá)情況。
通過分析發(fā)現(xiàn)，C3和C4代謝途徑中存在表達(dá)差異的基因分別有7和3個，其中果糖-1,6-二磷酸酶和丙酮酸磷酸雙激酶的編碼基因表達(dá)在指數(shù)生長期之后出現(xiàn)顯著上調(diào)。這有助于對瑪氏骨條藻碳固定代謝途徑中關(guān)鍵編碼基因調(diào)控過程的解析，為進(jìn)一步研究硅藻的固碳機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，也為深入了解碳的生物地球化循環(huán)提供了新的研究方向。
研究人員通過對瑪氏骨條藻轉(zhuǎn)錄組測序和分析，發(fā)現(xiàn)存在18個與碳固定代謝途徑相關(guān)的酶及34個對應(yīng)的編碼基因。序列比對結(jié)果表明，這些編碼基因與假微型海鏈藻有較高的序列一致性。基于KEGG注釋結(jié)果，分析了瑪氏骨條藻的碳固定代謝途徑，發(fā)現(xiàn)瑪氏骨條藻含有類似于陸地C4植物CO2濃縮機(jī)制所需的全部酶類，這是該類群在CO2濃度限制環(huán)境下仍然可以形成很高初級生產(chǎn)力的主要原因。
此外，他們還通過比較瑪氏骨條藻不同生長時期的轉(zhuǎn)錄組以及KEGG差異分析的表達(dá)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在其碳固定代謝途徑中一些關(guān)鍵酶的編碼基因存在差異表達(dá)情況，其中C3途徑中決定碳素最終分配去向的果糖二磷酸醛縮酶的編碼基因在衰亡期有顯著上調(diào)表達(dá)，而C4途徑中的限速酶丙酮酸磷酸雙激酶的編碼基因在穩(wěn)定期和衰亡期也表現(xiàn)為顯著上調(diào)。這些編碼基因的表達(dá)變化可以影響磷酸烯醇式丙酮酸、果糖-6-磷酸以及核酮糖二磷酸等產(chǎn)物的產(chǎn)量變化，這是瑪氏骨條藻在種群數(shù)量變化過程中能量固定和產(chǎn)物分配的適應(yīng)性表現(xiàn)，同時也是應(yīng)對環(huán)境變化的分子響應(yīng)。
這些能量固定和代謝途徑方面的發(fā)現(xiàn)，為今后從蛋白質(zhì)組、代謝組角度探索碳固定代謝途徑提供了新的思路，也為深入了解藻類的碳固定代謝機(jī)制以及碳的生物地球化循環(huán)增添了新的認(rèn)識。
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