文章信息
- 何梅琳, 迟巧云, 王长海
- HE Meilin, CHI Qiaoyun, WANG Changhai
- 极地微藻对极端环境的适应机制研究进展
- Research progress of the adaptive mechanisms of polar microalgae in response to extreme environment
- 南京农业大学学报, 2019, 42(2): 201-208
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2019, 42(2): 201-208.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201807013
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文章历史
- 收稿日期: 2018-07-04
随着陆地资源的日益紧缺, 对极地生物资源的开发与利用已上升为国家发展战略的高度, 也成为全世界高度关注的热点。微藻是一类在陆地和海洋生态系统中广泛存在的低等单细胞生物, 是极地生态系统中最重要的初级生产者和食物网的基础。微藻可利用阳光、水、无机盐和CO2迅速生长, 并在其细胞内合成与积累蛋白质、多糖、多不饱和脂肪酸、微量元素、色素和抗氧化物等多种营养物质[1], 使其在生物能源、生物化工材料、医药与保健食品和水产养殖饵料等方面广泛应用。微藻生物资源的开发与利用对耕地和淡水资源相对紧缺的中国具有重大的战略价值[1]。
极地微藻广泛分布于海冰、湖水、冰川融水和积雪表面, 对环境变化的响应最为敏感和直接。在当前全球变暖的大背景下, 海冰和冰川的加速消融导致极地环境温度变化加剧, 影响极地微藻的季节性增长, 从而影响整个北极海洋食物网的营养供应[2]。持续低温和季节性的光照辐射是影响极地光合生物生命活动和进化最重要的因素。除此之外, 紫外(UV)辐射、海冰冻融过程中盐度变化以及长达数月的黑暗时期也是极地微藻需要忍受的极端环境[3]。极地微藻对环境温度和光照与UV辐射的适应机制一直是极地生物环境适应性的研究热点之一。本文对近年来极地微藻耐受温度、光照和UV辐射胁迫的抗逆机制研究进展进行综述, 有助于人们了解极地微藻适应极地环境的机制及其在极地生境中独特的系统进化地位。
1 极端生境限制因子 1.1 温度极地地区是地球上最重要的高寒生态系统之一, 温度是极地环境中影响生物生存的最关键因素。低温是极地环境的重要特征, 其通过降低细胞的生化反应速率、影响某些细胞组分的稳定性等多种途径影响生命活动[4]。极区海洋最大栖息地——海冰, 是构成极地生态系统的重要部分, 其面积最大可达到地表面积的13%[5]。冬季浮游生物通常存活于冰水半固体混合物的间隙中, 其生境特点是低温(-10~-1.8 ℃)、高盐和几乎完全黑暗的环境(光照强度小于1 μmol · m-2 · s-1)[5]。在海冰、积雪消融, 适宜藻类快速繁殖的夏季, 极区的平均水温在-1.8~5 ℃[6], 而在积雪融化的地表, 夏季短时高温甚至能达到10~20 ℃[7]。
极地微藻按生境特征可简单地分为雪藻和冰藻。雪藻通常指分布于永久冰雪或冰川区地表的淡水藻类, 其在适当的条件下可在积雪表面形成肉眼可见的色素沉积斑块或条带[8]。冰藻即为海水、海冰及冰川融水等环境中各类微藻的总称[9]。按温度适应范围, 冷适应藻类(cold adapted algae)分为嗜寒藻类(psychrophilic algae)和适冷藻类(psychrotrophic algae)。嗜寒藻类的最适温度和致死温度分别低于15和20 ℃, 而适冷藻类则高于15和20 ℃[8]。不同地区分离的极地微藻对温度有不同的耐受范围, 嗜寒硅藻的生存温度不超过15 ℃[10], Teoh等[11-12]发现南极小球藻能在4~32 ℃范围内生长, 最适温度15~20 ℃。本实验室与中国极地研究中心合作从北极夏季冰川融水中分离的小球藻, 在3~27 ℃生长良好, 具有广温适应性[13]。与专性嗜寒藻相比, 适冷藻类通常表现出同时耐受低温和高温胁迫的特征。极地微藻所具有的广温适应性, 可能与其栖息地季节性温差较大有关[11-12]。
1.2 光照与UV辐射夏季极区的光照强度变化极大, 冰盖下水域光照强度小于10 μmol · m-2 · s-1, 而暴露在浅表层海冰混合区的藻类可能要忍受高达250 μmol · m-2 · s-1的高光照强度[5, 14]。近百年来, 人类活动尤其是应用制冷剂等给地球臭氧层造成了不可忽视的破坏, 臭氧层的减少主要导致了UV-B(280~320 nm)辐射增强。两极地区受到臭氧层空洞的影响, 紫外辐射逐年增强[15]。夏季冰层融化后, 水体透明度增加, 浮游藻类更容易受到穿透力强的UV辐射影响。UV-B、UV-A可穿透沙土的厚度分别为0.6和1 mm, 对于雪藻及附着在冰盖表层的藻类而言, 它们则需要耐受短时强光和UV辐射胁迫[16]。
2 极地微藻对低温的适应机制海冰中分离到的优势藻主要是硅藻[17], 而大部分极地绿藻生活在地表积雪、冰湖或较为短暂的生境(如积雪或海冰、冰川融水所形成的积洼)中。其中研究者对嗜寒藻Fragilariopsis cylindrus、Chaetoceros socialis、Chlamydomonas raudensis[18-21]、Chlamydomonas nivalis[22]和Chlamydomomas sp. ICE-L[23-26]进行了大量的生理和分子机制探索。近年来, 广温性的适冷小球藻Chlorella sp.对温度、UV辐射的生理和分子适应机制也逐渐得到阐明[11-13, 27-28]。国内对极地微藻温度适应性的研究主要集中在嗜寒微藻的低温适应机制上[23-26, 29]。由于生境的环境因子差异极大, 嗜寒藻与适冷藻对温度的耐受性不同, 其对温度的适应机制也存在较大差异, 关于二者分子调控机制差异仍并未见系统研究。目前研究者认为, 极地微藻对低温的适应机制主要包括以下几个方面:
2.1 酶促反应通常生长温度每下降10 ℃, 生化反应的速率将降低2~3倍[30]。然而, 某些极地微藻在低温下细胞生长倍增时间与中温藻相差无己[10], 其可能通过补偿提高低温下的酶促反应速率来维持正常的生命活动[31]。研究表明, 嗜冷微藻的硝酸盐还原酶的结构在低温下更稳定, 催化效率比中温藻更高[32]。然而, 某些绿藻的光合固碳关键酶Rubisco在低温下酶活性却低于中温藻[33]。为补偿低温下酶催化活性的降低、维持细胞的生长, Chlamydomonas raudensis UWO241采用的补偿机制是通过提高Rubisco的基因表达丰度和蛋白浓度来弥补酶活性的损失[20]。
2.2 光合作用光合作用和能量代谢是决定藻类生产力输出的基础代谢, 均是对环境温度极为敏感的感受器[19, 34]。由于光化学反应和能量代谢的酶促反应对温度的敏感性不同, 在低温胁迫下导致光化学反应阶段形成的电子激发压和光能代谢库耗散的不平衡。藻类需要协调两者之间的平衡, 达到所谓的“光稳态(photostasis)”, 才能适应温度胁迫[34]。研究发现, 低温胁迫下极地藻类可采用多种调节方式来达到光稳态。微藻对温度胁迫的短期响应主要发生在光化学反应阶段, 并采用多种调节方式来达到光稳态:极地微藻能大量合成类胡萝卜类色素和抗氧化物, 如虾青素、玉米黄质等, 通过增加热耗散来减轻光损伤[20]。与中温藻Chlamydomonas reinhardtii相比, 低温下冰藻(Chlamydomonas raudensis)UWO241的环式电子传递速率提高了2倍, 以满足其低温下对ATP的大量需求[35]。Morgan-Kiss等[35]发现低温下UWO241在光化学反应阶段的调节能力较弱, 不能启动微藻在应对光胁迫时一些常见的光保护调节机制。如:不能调节捕光色素复合体(LHC)[36]; 缺乏状态转换的调节能力[35]; 不能通过叶黄素循环增加热耗散[18-19, 30]。不同种属的微藻之间对光化学反应的调节能力差异很大。与UWO241不同, 本实验室Cao等[13]研究发现, 适冷小球藻(Chlorella-Arc)在低温下可通过减小捕光色素复合体来调节光吸收。Maxwell等[37]发现小球藻(Chlorella vulgaris)能通过积累类萝卜素结合蛋白和大量合成玉米黄质, 来降低光系统Ⅱ(PSⅡ)激发压。此外, 调节光合电子库代谢的能力也是藻类耗散低温下过量激发能的有效方式。例如, UWO241能增强对非光化学阶段的调节, 即通过增加碳同化的活性来耗散过量光能[30]。相反, 小球藻Chlorella vulgaris在低温下不能上调碳同化活性, 增强耗散光合电子库的能力[37]。Cao等[13]发现适冷小球藻Chlorella-Arc在低温下可通过减小捕光色素复合体大小来调节光吸收, 相反, 在高温下减弱了对光化学反应阶段的调节, 反而倾向于通过增强碳同化向胞外分泌大量的可溶性糖类, 并抑制蛋白质和油脂的合成, 增强呼吸作用来平衡吸收光能和光合电子能量代谢。
2.3 脂质脂类既是藻类应对温度胁迫的重要储能物质, 亦是细胞膜、质体膜的重要结构组分。对藻类而言, 维持叶绿体膜正常功能是保障低温下光合作用正常运转的基本条件。低温下冰藻维持细胞正常生理功能策略包括:增加细胞膜磷脂脂肪酸的不饱和度、降低碳链长度和增加支链脂肪酸含量等方式[23, 38]。一些冰藻富含大量的高不饱和脂肪酸, 如南极衣藻Chlamydomonas UMACC 229的多不饱和脂肪酸(PUFA)占总脂肪酸的65.7%~76.5%, 其中十六碳三烯酸(C16 : 3)占总脂肪酸含量的48.4%~57.2%[12]。而广温适应的小球藻Chlorella sp.不饱和脂肪酸含量和脂肪酸的不饱和度相对较低。Ahn等[39]发现北极小球藻Chlorella sp.在氮缺乏条件下, PUFA含量不超过7%。Cao等[13]发现广温北极小球藻Chlorella-Arc的单不饱和脂肪酸(MUFA)C16 : 1和C18 : 1n9在低温下含量升高, 而PUFA的贡献很小。低温可诱导南极小球藻Chlorella UMACC 237中饱和脂肪酸C16 : 0和C18 : 0含量升高, 而MUFA和PUFA含量降低, 表明该小球藻脂肪酸可能作为储能物质在低温适应性中发挥更重要的作用[12]。甘油三酯作为一种储能物质, 其大量合成能够消耗胁迫条件下光合电子传递链上过量的还原力, 确保光合作用的正常运行。对南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L的转录组进行测序, 发现5种脂肪酸去不饱和酶(fatty acid desaturase, FAD)基因中3种omega-3 FAD基因在低温适应过程中上调表达, 表明其可能参与调控脂质和多不饱和脂肪酸的积累[23, 40]。特殊的结构脂质组成更有利于极地微藻适应低温、低光环境。极地硅藻[41-42]和衣藻[30]的类囊体膜均富含PUFA, 低温和环境因子胁迫(如氮缺乏)会导致色素和一些膜蛋白从类囊体膜上解离, 影响膜的完整性, 而PUFA和双半乳糖基甘油二酯(DGDG)的升高则可以增强膜的稳定性。
2.4 抗冻蛋白在冰冻条件下, 抗冻蛋白即冰结合蛋白(ice-binding protein, IBP)对维持细胞外的适宜水环境发挥着重要作用。一些藻细胞在低温下分泌出IBP可与冰晶结合降低冰点(热滞现象), 抑制冰晶生长和重结晶, 或调节冰晶结构, 形成有利于细胞生存的空间[43-44]。冰硅藻在冰冻温度下的IBP的基因表达[45]和蛋白浓度均显著提高[43]。Raymond等[21]通过转录组测序在南极衣藻Chlamydomonas raudensis UWO 241中检测到大量I型IBP转录本, 而在中温衣藻Chlamydomonas raudensis SAG49.72中未检测到该蛋白基因序列。
3 极地微藻对光照和UV辐射的适应机制 3.1 光合系统响应对光合生物而言, 光是最重要的环境因素之一, 是所有生理活动的能量源泉, 但在不利的生存条件下, 光照也会成为胁迫压力。藻细胞暴露在强光下时, 捕获的光能远高于代谢库消耗的能力, 不能被及时耗散, 进而诱导光抑制的发生, 甚至诱导大量活性氧(ROS)损伤光系统。藻细胞会采取一系列光保护机制以维持“光稳态”。南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L在高光强、UV-B辐射和高盐胁迫下上调表达2个LHC的基因(LhcSR1和LhcSR2), 并增强热耗散(NPQ)来耗散过量的光能[16]。一些冰硅藻可耐受大于350 μmol · m-2 · s-1的强光[46], 其通过增强热耗散和硅藻黄质——硅甲藻黄质的叶黄素循环来耗散过量激发光能, 减轻光抑制[47]。光保护相关基因, 如PSⅡ放氧复合体(psbV、psbO)[48]、光系统Ⅱ反应中心DI蛋白编码基因(psbA)[49]、类胡萝卜素合成途径相关基因(hemA/B、pcr、chlN/B等)[50]在强光诱导下表达上调, 有助于耗散细胞吸收的过量光能。
在藻细胞的绿色游动生长时期, 微藻细胞对光强和UV辐射尤为敏感[51], DNA、光合作用、膜脂结构、细胞运动等一系列生理组分都将受到影响[52]。PSⅡ是UV-B诱导的光抑制作用的主要靶标, PSⅡ反应中心的D1和D2蛋白修复系统易受UV-B损伤。雪藻应对低温下UV-B辐射的策略包括:通过叶黄素循环, 合成和积累虾青素, 加快D1蛋白周转速率, 淬灭天线分子流, 诱导冷适应蛋白表达等一系列措施来耗散过量辐射能, 从而整体下调光化学过程[8, 30]。此外, 藻类细胞, 包括蓝藻、大型藻及部分真核微藻可在胞内积累高浓度的UV吸收活性化合物类菌胞素类氨基酸(mycosporine-like amino acids, MAAs), 可有效抵御UV辐射的伤害, 并淬灭UV辐射诱导产生的活性氧[33]。
3.2 抗氧化系统超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶系统、类胡萝卜素(如虾青素等)均是藻类抵抗强光和UV辐射胁迫重要的抗氧化物质, 通过氧化还原反应消除ROS[8]。Hwang等[53]对南极角毛藻进行转录组分析, 发现温度升高诱导了一系列抗氧化机制上调表达, 包括单抗坏血酸还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷还原蛋白、谷胱甘肽-S-转移酶(GST)和交替氧化酶等。多不饱和脂肪酸也是ROS作用的耙点之一, GST使还原型谷胱甘肽结合到PUFA的亲电子中心, 以避免膜质过氧化。甲硫氨酸亚枫还原酶(MSR)也可能在极地微藻冷适应过程中发挥抗氧化作用, 在南极拟脆杆藻Fragilariopsis cylindrus基因组中发现MSR的同源拷贝比中温硅藻(Thalassiosira pseudonana和Phaeodactylum tricornutum)拷贝多[54]。此外, 细胞受到的氧化压力与胞内氧化还原平衡有直接关系, 一些短链的脱氢酶/还原酶家族在极地微藻基因组的拷贝富集显著高于中温藻, 它们作为氧化还原酶很可能对极区低温生境下维持细胞内氧化还原平衡发挥重要作用[55]。
4 温度与UV辐射的协同作用当藻细胞暴露在UV-B和温度的双重胁迫下, 藻细胞对二者的敏感性会如何变化?研究表明, UV辐射对藻细胞光合作用的损伤受温度影响较小, 相反, 光合系统修复的过程则与温度变化密切相关[56]。南极小球藻在高温(14和20 ℃)和UV处理下, ΦPSⅡ和rETRmax值显著低于低温处理(4 ℃), 光合损伤常数(k)升高, 这表明高温加重了UV辐射对藻细胞的损伤[56]。不同地域来源的株系对UV-B辐射的敏感性也有极大差异。温带和热带小球藻对UV-B和高温共同胁迫的抗性比南极小球藻强[56]。一般认为, 高温可增强修复UV-B损伤及光合作用相关酶的活性, 如D1蛋白修复相关酶减轻UV-B的抑制作用[57]。当UV辐射造成的光损伤超过细胞光合修复能力时, 诱导NPQ升高, 以抵消UV辐射造成的激发损伤[58]。然而, 温度升高亦可能减少细胞周期[59], 或通过与其他环境因素协同作用, 如增强海洋酸化等, 影响藻类呼吸指数, 最终影响光合产量[60]。综上所述, UV辐射与温度胁迫相互作用对不同物种可能产生协同或补偿的不同效果。
5 组学技术在极地微藻生态适应机制研究中的应用近年来随着基因组、转录组、蛋白组及代谢组学等分子生物学工具的普及, 多种组学技术越来越多地应用于极地微藻抗逆适应机制的研究中。
5.1 基因组学基因组提供了极地微藻全套的遗传指令, 其中启动子和基因间隔区在基因调控过程起着关键作用。基因组测序为新基因、新蛋白资源的发掘及其应用于生物技术领域提供了关键信息支撑, 但目前对极地微藻的研究仍处于起步阶段。南极拟脆杆藻F.cylindrus是第1个完成全基因组测序的极地微藻[31]。Blanc等[55]完成了一株耐冷绿藻Coccomyxa subellipsoidea基因测序和分析工作。一些其他的极地微藻测序工作, 如南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L的基因组测序工作也在进行[61]。基因组测序发现许多极地微藻独特的基因功能和来源与中温藻不同。南极拟脆杆藻F.cylindrus的基因组含有约25%高度分化的等位基因[61]。差异等位基因在不同环境胁迫下表达丰度不同, dN/dS分析显示等位基因分化与多样化选择之间存在正相关关系。Coccomyxa subellipsoidea中有超过2 300个基因在相应的中温绿藻中没有同源序列[16]。其中大部分基因与轮藻(Streptophyta)和其他真核生物具有相似性, 表明它们很可能来源于绿藻共同的祖先。值得注意的是, 具有防御、脱毒、碳水化合物代谢相关功能的一些基因与绿藻同源相似度不高, 反而与细菌序列具有高度同源性, 表明极地微藻很可能通过水平基因转移获得这些功能。
5.2 转录组学将转录组技术应用于逆境胁迫下微藻差异基因的筛选和鉴定, 获得大量的差异基因, 包括保护基因和调控基因。Mock等[6]发现在低温下南极拟脆杆藻F.cylindrus与抗冰冻光抑制相关的基因(hsp 70、EfTs、rpS4、ftsH)表达上调。在低温下, 南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L几种捕光蛋白和光合作用相关的基因表达量明显升高[62]。Hwang等[53]分析了嗜寒角毛藻Chaetoceros neogracile在热胁迫(10 ℃)下的EST的表达模式, 发现保护基因表达上调, 而与光合作用相关的基因, 如编码捕光蛋白、Chl a/c结合蛋白和PSⅡ外周蛋白的相关基因等表达下调。Poong等[27]采用RNA-seq对南极小球藻经短期UV-B辐射处理(2 h)的转录本进行测序和差异表达基因富集分析, 发现四大代谢通路(包括脂肪酸降解、氨基酸转运和代谢、过氧化酶体氧化反应以及蔗糖和淀粉代谢途径)下调, 这可能与UV胁迫下藻细胞能量和碳骨架需求下调有关, 同时也可能是细胞维持膜稳定性、保证膜正常功能的一种策略。本实验室对不同温度处理下的北极小球藻进行转录组测序, 为揭示广温适应小球藻耐受高/低温胁迫的分子机制提供了大量基础信息(待发表)。分析结果表明, 低温下光系统组分PsbB、PsbC、PsbA、PsaA和PsaB基因均上调表达, 推测Chlorella-Arc可能通过提高光能从天线色素传递到反应中心的效率, 从而维持较高的光化学活性。高温则诱导多糖合成关键酶UDP-葡萄糖-4, 6-水解酶、UDP-葡糖醛酸酯-4-差向异构酶表达上调, 而脂质合成关键酶乙酰辅酶A羧化酶、磷酸丙糖异构酶和乙醛脱氢酶表达下调, 表明碳分配的调控可能在Chlorella-Arc应对不同温度胁迫中发挥作用。此外, C4-like途径也可能参与调控了高温下的碳分配。
5.3 蛋白质组学蛋白组学提供了蛋白质翻译后加工及其与基因表达之间的相互协调关系的信息, 同时也为发掘潜在的未知蛋白提供了技术支撑。早期研究人员通过蛋白质双向电泳和飞行质谱对低温、高温或盐胁迫下的极地微藻的差异表达蛋白进行了鉴定。角毛藻Chaetoceros neogracile的抗冻蛋白在低温冰冻条件下表达丰度增加[43]。Kan等[29]发现低温可诱导南极衣藻Chlamydomonas sp.合成2种新的蛋白——异丙基苹果酸/高柠檬酸/柠苹酸合酶和谷胱甘肽S-转移酶。前者在氨基酸转移中发挥作用, 后者则参加活性氧、自由基等有害物质的清除。南极拟脆杆藻F.cylindrus在低温高盐胁迫下, 与甲基循环相关蛋白大量积累, 如合成高甲氨酸前体的S-腺苷同型半胱氨酸水解酶和S-腺苷甲硫氨酸合成酶以及S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶, 促使二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)的合成和积累, 这可能作为一种抗冻剂或抗氧化剂在抵御低温高盐胁迫中发挥作用[63]。然而, 蛋白水平的变化有时并不能真实反映细胞内相关代谢途径的活动, 细胞内代谢活性还受到翻译后调控和代谢物水平的调控等[64]。如高温下南极衣藻Chlamydomonas sp. L9抗氧化酶系的蛋白丰度并无显著差异, 但细胞从酶活性水平上提高了抗氧化酶的活性以减轻细胞受到氧化胁迫[64]。基于双向电泳-飞行质谱的检测技术分辨率较低, 无法准确定量低丰度表达的蛋白。随着新一代高分辨的蛋白组学技术iTRAQ(isobaric tags for relative and absolute quantification)的广泛应用, 势必可以极大提高极地微藻差异蛋白检测的灵敏度, 甚至可能发现低丰度的未知蛋白。
5.4 代谢组学代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后兴起的系统生物学的一个新的分支, 是通过考察生物体内基因、蛋白受外部因素刺激后产生的所有代谢产物图谱及其动态变化来研究生物体系的代谢网络, 包含直接反映生理表型的生物标记物信息, 反映外部因素对基因—蛋白—代谢物之间的相互作用。目前, 代谢组学在极地微藻适应极端环境机制中的研究相对较少。吕娜[22]利用代谢组学、脂组学技术分析了雪藻(Chlamydomonas nivalis)响应NaCl胁迫、氮磷缺乏胁迫下细胞的脂质谱图和代谢谱图变化, 发现并鉴定了多种细胞生理发生重大转变时的脂质和代谢生物标志物, 还通过对主要代谢通路和代谢调控网络分析, 发现细胞的氨基酸代谢、脂肪酸合成、糖酵解、三羧酸循环、嘌呤和嘧啶代谢等代谢途径都发生了重大变化。Huseby等[65]将代谢组学指纹识别技术应用于不同地理来源的角毛藻(Chaetoceros socialis)的鉴定, 通过主成分分析发现来源于北极和墨西哥湾的角毛藻在不同温度处理下标志代谢物种类和含量有显著差异, 由此可以对一些难分辨的隐藏种进行分析鉴定。
6 展望 6.1 多组学结合与新基因的发掘微藻对逆境胁迫的应答是一个多基因、多基因表达产物和多信号传导途径参与的复杂过程, 单纯从某一水平去描述微藻对逆境生态的适应机制并不能准确反映细胞对适应逆境的分子调控机制。基因组、转录组、蛋白组和代谢组信息能提供基因遗传和进化、转录、翻译及最终代谢水平上的全部信息, 从多个层面上解析微藻对极端环境的抗逆和适应机制, 是当下极地微藻分子适应机制研究的主要趋势。结合比较基因组学, 发掘新基因、新蛋白及代谢标志物是未来研究极地生物系统生物学的发展方向之一。进一步深入探讨极地微藻特殊抗逆基因的功能需要构建合适的分子生物学平台, 即在模式或非模式极地微藻中进行基因操作。TALEs[66]和CRISPR-Cas[67]在微藻中的应用, 极大地提高了基因功能研究的可操作性和基因编辑效率。尽管目前相关的基因编辑技术仅在中温适应微藻中应用, 但也为深入研究极地微藻抗逆基因的功能提供了强有力的技术支持。
6.2 极地微藻特殊的生态进化地位阐明极地微藻的分子适应机制对预测全球变暖大背景下微藻在极地生态系统中的演化, 评估其在生物地球化学循环中的作用提供重要参考信息。如何运用分子生物学工具在全球大尺度上解析极地微藻的生态进化地位将是极地生物研究者们面临的下一个挑战。诚然, 极地微藻可能会采取一些独特的适应策略, 然而更多的抗逆适应机制并非极地生物特有, 而是与中温生物响应其他环境因素胁迫时采用的通用机制相近。温度、光照、营养、抑藻物质、人工化合物(非天然)及化学物理过程(层流、最低含氧区饱和碳酸盐深度和生物体的潜能, 如遗传适应性)等共同决定了物种的空间和时间分布[54]。进化过程中, 通过内共生、水平基因转移、基因丢失或扩增等进化方式, 不同物种可能获得了一套适应特殊生境的基因, 并由此产生代谢多样性, 进而影响生物地球化学的循环。通过多组学信息的整合, 可全面解析生物体和环境因素之间的相互作用, 并以生物体适应机制为基础建立数学模型, 预测生物体(影响)对生态因子如气候、生物多样性和养分有效性的影响。
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