集胞藻PCC6803适应寒冷的遗传学基础
文献类型：学位论文
| 作者 | 殷春涛 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2004-12-19 |
| 授予单位 | 中国科学院水生生物研究所 |
| 授予地点 | 水生生物研究所 |
| 导师 | 徐旭东 |
| 关键词 | 集胞藻PCC6803 寒冷光照 低温强化 转录组学 耐寒基因 |
| 其他题名 | Genetic bases for the adaption of Synechocystis sp. PCC6803 to cold environments |
| 中文摘要 | 蓝藻往往在内陆富营养化水体中形成水华，甚至释放毒素，成为世界性的环境问题，引起公众关注。温带和亚热带地区的蓝藻如何度过冬季寒冷条件对于理解次年水华的发生是十分重要的，而蓝藻生物学中有关0~15℃的研究却十分缺乏。在生物演化史上，蓝藻被认为是植物叶绿体的祖先，被子植物拟南芥基因组中约有18%的基因来自于蓝藻，所以蓝藻与高等植物在生理和遗传的许多方面有相似之处，蓝藻的抗寒基因可能成为农作物遗传改造的基因资源。 集胞藻(Synechocystis sp. )PCC6803是一种单细胞嗜中温蓝藻，在BG11培养基中最适生长温度为30℃，在25~40℃温度区间较适合其生长。本文研究了集胞藻PCC6803在5~15℃低温下的生理特征，发现了低温强化现象；经基因组插入诱变获得对寒冷光照敏感的突变株，鉴定了一些与集胞藻适应低温有关的基因；利用基因芯片技术研究了集胞藻在低温条件下的转录谱，并对在低温培养时上调的基因对于低温强化的作用进行了分析，以期揭示温带和亚热带地区蓝藻越冬的机理。 主要研究内容有如下几个方面： 1、集胞藻PCC6803在低温下的生理特征。在5℃集胞藻PCC6803不能生长，将30℃培养的藻转入5℃在黑暗中可保持存活达2个月以上，而施加100μE.m-2.s-1的光照则存活时间缩短到10天以内。经过15℃培养后再转入5℃处理，无论在100μE.m-2.s-1的光照或黑暗下其耐受力明显提高，作者称这种现象为低温强化。 2、与集胞藻PCC6803适应低温有关基因的鉴定。以卡那霉素抗性标记对集胞藻PCC6803进行了随机或定向插入诱变，在30℃培养并转入5℃、100μE.m-2.s-1的光照下处理，筛选获得了19个寒冷敏感突变株，经过反向PCR和测序确定了被插入的基因。这些基因中未知功能基因4个，分别为sll0268、sll1913、sll1242和slr0688；已知功能基因8个，分别为sll0158(1,4-α-糖原分支酶，glgB)、sll0726(磷酸葡糖变位酶，pgm)、slr0415(钠氢离子交换泵，nhaS5)、slr1908(膜孔蛋白)、slr0089(γ-维生素E甲基转移酶)、sll0262(酰基脂肪脱饱和酶(Δ6)，desD)、sll0273(钠氢离子交换泵，nhaS2)。其中sll0158、sll0726均涉及糖原合成，desD、sll0268、sll0273位于基因组同一区域。通过生理特性研究发现突变株sll0158-和sll0726-对寒冷敏感主要由光照引起，突变株slr0415-、slr1908-、slr0089-对寒冷敏感主要由葡萄糖引起。突变株Δsll0268、sll1913-、sll1242-、slr0688-、desD-、sll0273-特异地对寒冷敏感。对这些基因和下游基因分别定向插入失活，证明只有这些基因的突变导致对寒冷光照敏感，而下游基因无影响。sll0268基因例外，其下游基因sll0269突变也导致寒冷敏感性状。在突变株sll0269-、sll1913-、sll1242-、desD -、sll0273-基因组的整合平台中插入同一野生型基因进行互补实验时可恢复其寒冷耐受性。这些突变株在5℃处理时如果遮去光照则并不敏感；当光强降至15μE.m-2.s-1时，突变株sll0273-、sll1913-恢复生存能力。这些突变株在30℃和20℃下生长正常，对光照的适应与野生型相当，但在15℃下表现不同程度的敏感。将突变株desD -、sll0273-在15℃培养后或突变株Δsll0268、sll1913-、sll1242-在20℃培养后转入5℃、100μE.m-2.s-1的光照下处理，其生存力部分甚至完全恢复，提示低温强化可以弥补某些基因缺陷带来的损害。在低磷培养液中生长的desD- 和 sll1242-对寒冷的敏感程度有部分缓解，但在野生型中难以观察到这种低磷培养的效应。亚适应生长条件可能在某种程度上对寒冷耐受有所作用，但低温强化作用机理应远远不止于此。 3、集胞藻PCC6803的转录组学研究。利用基因芯片技术比较集胞藻PCC6803在30℃和15℃生长条件下以及在15℃生长和15℃生长后转入4℃、100μE.m-2.s-1处理2小时后的转录谱差异。在15℃生长的藻细胞中显著上调的基因有：与碳酸盐和CO2转运有关的基因，磷酸葡糖甘油合成酶基因sll1566，与清除脂肪酸过氧化物有关的基因slr1171， psaK类似基因sll0629， sigma H 基因sll0856以及sll1242和sll0330等许多未知功能基因。模板梯度稀释RT-PCR与基因芯片的结果一致。将15℃培养的细胞转入4℃处理时，藻胆蛋白降解酶基因nblAl和类胡萝卜素合成基因crtB、crtD表达增强，与硝酸盐转运或代谢有关的基因nrtA、nrtB、nirA表达降低，一些调控基因sigD、hik34等表达增强，而另一些如sll1291、sll1292表达降低。 4、集胞藻PCC6803低温强化的机理。通过对15/30℃芯片显示显著上调的基因进行定向敲除，分析上调基因在低温强化中的作用，发现sll1566对低温强化基本没有作用，sll0629和sll0330有显著的作用，slr1171 和desB有作用但不稳定。 本研究得到的主要结论有： 1、5℃、100μE.m-2.s-1处理引起30℃培养的集胞藻PCC6803存活率降低，但预先经过15℃低温培养可基本消除其作用，作者称这种现象为低温强化。 2、经插入诱变集胞藻PCC6803和定向敲除获得对寒冷光照敏感的突变株，鉴定了sll1242、desD等与集胞藻适应低温有关的基因。低温强化处理使这些突变株不同程度地恢复对寒冷光照的耐受力。 3、建立了评估单个基因对于低温强化作用的方法，并直接显示了sll0330和sll0629等基因对于蓝藻低温强化的效应。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-11-16 |
| 页码 | 124 |
| 源URL | [http://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/11926]  |
| 专题 | 水生生物研究所_中科院水生所知识产出（2009年前）_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 殷春涛. 集胞藻PCC6803适应寒冷的遗传学基础[D]. 水生生物研究所. 中国科学院水生生物研究所. 2004. |
入库方式： OAI收割
来源：水生生物研究所
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