Nat Plants | 转录-蛋白-代谢多组学揭示沙漠藻类对极端光照的抗性机制

沙漠绿藻（Chlorella ohadii）具有顽强的生命力，其对于极端光照的胁迫响应表现令人惊讶，这也提示了人们对于光合机制如何运作及功能上限的理解仍旧不足。来自德国马克思·普朗克研究所、耶路撒冷希伯来大学、马堡大学、弗莱堡大学以及德国IPK研究所的科研人员进行了深入探讨，并于2020年7月在《Nature plants》上发表了题为“Multi-omics reveals mechanisms of total resistance to extreme illumination of a desert alga”的论文。该研究结合多个组学分析数据，系统讨论了沙漠绿藻在极端光照下的系统变化，进一步了解其在极端光照下的光合和生长响应机制。

实验材料：小球藻

实验分组：

不同光照处理：LL（100 μmol photons m−2s−1），EIL（3000 μmol photons m−2s−1），LL→EIL（18.5 h LL处理后转为EIL处理），连续EIL（EIL处理18.5 h）

技术路线：

步骤1：表型确认，筛选取样点

步骤2：转录组、代谢组及脂质组分析

步骤3：氧化还原蛋白质组分析

步骤4：多组学联合讨论响应机制

实验结果：

1. 表型分析与取样点的选择

在强光照处理下，小球藻的细胞生长速率发生了变化：在连续EIL条件下，小球藻的细胞生长速度比LL条件下快得多。在LL→EIL处理组，生长速率的趋势类似于在连续EIL处理8到20 h之间的情况，比在LL更快。此外，O2水平和pH值的检测结果显示，EIL处理比LL处理具有更快的能量消耗和/或氧化NADPH的能力。

在综合考虑了小球藻细胞周期短，适应非生物刺激速度较快，以及响应时间会随细胞功能的不同而变化三方面因素后，研究人员对取样时间点进行了选择：

1）RNA测序（RNA-seq）：LL、t15EIL（EIL处理15 min）和t120EIL（EIL处理120 min）。

2）氧化还原蛋白质组：LL、t3EIL（EIL处理3 min）。

3）代谢组和脂质组：LL、t120EIL。

此外，研究人员将EIL处理18.5 h（连续EIL）作为参照点，也进行了取样。

2. 转录组、代谢组和脂质组的系统变化

本次分析共定量了11047个核编码、108个叶绿体编码和37个线粒体编码的转录本，101种极性代谢物和147种脂类。每个功能级别的整体响应使用主成分分析（PCA）进行了解析。

这些PCA分析显示，取样点的装填可以呈现转移到EIL后的瞬时变化，转录水平比代谢或脂质水平更快发生变化。转录GO富集分析结果显示，在暴露于EIL后不久和在持续EIL下都有DNA损伤。而代谢组数据显示，连续EIL与其他处理的差异是由几个胁迫相关代谢物驱动的；t120EIL的差异是由几种糖酵解和三羧酸循环中间产物驱动的，表明转移到EIL后小球藻的代谢活性增加。

3. 氧化还原蛋白质组分析响应机制

在EIL条件下，小球藻的光合作用和生长快速变化，且没有对其产生负面影响，这意味着小球藻可能对氧化还原状态可以快速感知和调节。因此，研究人员进行了氧化还原蛋白质组的分析，总共鉴定出1061个蛋白质，其中有181个显著差异蛋白。值得注意的是，154个蛋白在t3EIL表现出显著的改变，这强调了翻译后修饰在早期响应EIL中的重要性。

GO分析显示，差异在磷酸转氨酶/激酶活性相关蛋白，翻译，氧化/还原和脂代谢中显著富集。研究人员比较了C. ohadii和C. reinhardti在根据真核生物同源类群分类定义的不同蛋白类中的半胱氨酸丰度(扩展数据图3c)。C. ohadii在许多蛋白质类中显示出较高的半胱氨酸丰度，包括那些与核结构、DNA复制和修复、RNA加工和修饰相关的蛋白质，翻译、氨基酸代谢与运输、能量生产与转换及脂类代谢。这意味着，在C. ohadii的氧化还原调节的潜力甚至更广泛由我们目前的蛋白质组分析揭示。

4. 转录组预测应激反应和C分配模式

研究人员随后对转录数据进行GO分析，结果显示，在所有时间点，上调基因在谷胱甘肽分解代谢过程、肽分解代谢过程和硫化合物分解代谢过程等功能条目中富集。这表明谷胱甘肽化在防止小球藻蛋白半胱氨酸不可逆氧化中的重要性。研究人员还着重关注了C分配相关的差异转录本相关的GO条目。在t15EIL为固碳相关转录本过度表达，t120EIL为淀粉生物合成过程和麦芽糖代谢过程，而在t120EIL和连续EIL处理下为脂肪酸生物合成过程。相关差异表达基因进一步分析显示，在t15EIL处理中的脂肪酸合成和饱和过程，在t120EIL和连续EIL条件下切换为的超长链脂肪酸的延伸和饱和。这些转录反应伴随着t120EIL时淀粉含量的大幅上升，在连续EIL下，淀粉含量和脂质积累更高。

5. 呼吸和应激代谢产物的广泛变化

研究人员通过对比t120EIL、连续EIL以及LL处理的代谢物水平，获得了82个显著差异的代谢物，并通过聚类分析分为5个cluster。大多数代谢物在t120EIL和连续EIL下表现出相反的反应。属于cluster a和cluster b中的代谢物水平在t120EIL组上升，在连续EIL时下降。这些代谢物包括：糖类、呼吸中间体、主要氨基酸、甘油和甘油-3-磷酸。这可能反映了t120EIL的代谢活动增加，以及连续EIL下淀粉和脂质的积累。t120EIL和连续EIL相比，淀粉/蔗糖比提高了约14倍，麦芽糖含量显著提高。这两阶段的反应概括了C分配相关基因的转录组响应变化。

在cluster d中的代谢物水平在LL和t120EIL下降，而在连续EIL下增加。这个cluster包括与胁迫、光呼吸和NH4同化的相关代谢物以及天门冬酰胺和丙氨酸。

与LL相比，在t120EIL时，cluster d的代谢物在连续EIL下进一步增加。cluster e中的一个亚簇在t120EIL和连续EIL处理下均比在LL水平降低。这两种反应可能反映了与LL相比，EIL下固定C的普遍可用性更高，以及处理过量氧化还原的需要。

6. CO2浓缩机制(CCM)的相关变化

根据前面的实验数据，t120EIL时CCM被诱导和光呼吸降低，而连续EIL时CCM受损和光呼吸升高。为了进一步证明这一点，研究人员分析了代谢和转录数据。

与LL相比，连续EIL和t120EIL组的乙醇酸含量较高。丝氨酸水平的变化与乙醇酸类似，而甘氨酸水平变化则相反，表明在连续EIL下光呼吸升高。与LL相比，在t15EIL时，光呼吸途径检测到的所有转录本都增加了，在t120EIL时降低了，而在连续EIL时则升高了。

对其他藻类的研究表明，CCM所需的基因通常是由低Ci诱导的。与LL相比，t15EIL和t120EIL组的许多CMM相关基因的转录丰度显著增加。有趣的是，在连续EIL处理下，CCM相关转录丰度很高，这表明在连续EIL下取消Ci亲和力不是由于CCM的抑制。

7. 转录、代谢产物和脂质反应相互作用

为更系统地整合转录组、极性代谢物和脂质数据集，研究人员使用方差分析对LL、t120EIL和连续EIL数据集拟合线性模型。转录本、极性代谢物和脂质数据在LL和t120EIL下表现出类似的反应。极性代谢物的连续EIL反应更强，结果显示处理之间的距离最大。

本研究利用转录组、蛋白质组、代谢组以及脂质组的多维度数据，建立了一个多层数据集。将多组学分析与生长、光合作用和呼吸、NADPH水平、总蛋白和细胞形态的测量数据相结合，系统研究了光合细胞对极端光照的反应。小球藻可以利用突然产生的过剩还原力和碳，来进行生长和物质储备，而翻译后氧化还原调节在这种快速反应过程中起着至关重要的作用。

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