钝顶节旋藻（Arthrospira platensis AGB-AP02）全基因组测序及特性分析

【摘要】：为在分子水平上揭示钝顶节旋藻(Arthrospira platensis AGB-AP02)特殊的生物学特征,利用高通量测序技术(Solexa)测得了钝顶节旋藻基因组序列。结果显示共获得reads为21,463,733个,包含核酸1609.78 Mb,覆盖基因组大约为292倍。经组装为91scaffolds,包含核酸5,520,311bp,50%以上的Scaffolds长度都大于143,024 bp,基因组的GC%为44.38%。利用Glimmer 3对基因组的ORFs进行预测,共发现5989个ORFs。ORF的平均长度为784bp。利用得到的5989个ORFs的氨基酸序列分别对nr、nt、KEGG、COG进行Blast,结果发现能分别有4342,2732,4886,3379个ORFs能在这四个数据库中比对上相似的基因序列。钝顶节旋藻生活在高碳酸盐与高重碳酸盐的特殊无机碳环境中,在钝顶节旋藻在所有能注释的ORFs中,我们发现了完整的CCM(二氧化碳浓缩机制)代谢途径。这些ORFs包含了编码羧酶体的操纵子,编码HCO3-转运蛋白的ORFs与编码CO2摄取蛋白的操纵子。在基因组中没有发现编码典型的有活性的碳酸酐酶的基因,而新发现的γ-CA可能代替其它类型的有活性的碳酸酐酶。这些基因是钝顶节旋藻适应特殊无机碳环境重要的分子基础。钝顶节旋藻是一种嗜碱蓝藻,生活的环境pH=9～11。通过对其全基因组扫描、在钝顶节旋藻中共发现有29个ORFs与细胞pH调节相关,这29个ORFs分别编码了Na+/H+向转运蛋白、ABC-类型寡肽转运蛋白、ABC-类型二肽转运蛋白、ABC-类型二肽/寡肽/镍转运蛋白与ABC-类型分支氨基酸转运蛋白。这29个ORFs在钝顶节旋藻适应高碱环境中起着重要作用,钝顶节旋藻的高碱适应机制同海洋嗜碱性细菌Oceanobacillus iheyensis的碱适应机制相似。同时钝顶节旋藻是一种生活在高盐环境下,同时能被海水驯化的蓝藻。通过钝顶节旋藻AGB-AP02与海洋红海束毛藻IMS101的比较基因组研究发现,这两种蓝藻具有相似的渗透调节方式,一种是通过细胞膜上的无机离子转运蛋白如Na+/H+对向转运蛋白,Ca2+/Na+对向转运蛋白与K+转运蛋白调节细胞的渗透压；另一种是通过渗透调节物质调节细胞的渗透压如脯氨酸的合成与转运。在钝顶节旋藻独有的基因中,还发现了合成渗透调节物质-海藻糖的关键性基因海藻糖-6-磷酸合成酶基因,表明钝顶节旋藻还具有利用海藻糖作为渗透调节物质的潜力,这与海洋红海束毛藻IMS101相异。对钝顶节旋藻不饱和脂肪酸代谢分析表明在钝顶节旋藻中存在完整的合成γ-亚麻酸的代谢途径,在这个途径中包含了合成γ-亚麻酸的酶,分别是乙酰转移酶、3-氧酰基[酰基载体蛋白]还原酶、脂烯酰基还原酶、硬脂酰CoA-△9-去饱和酶、脂烯酰去饱和酶(△6)、脂烯酰去饱和酶(△12)与羟脂酰ACP脱水酶但是缺乏合成α-亚麻酸的关键性酶DesB,α-亚麻酸是合成EPA与DHA的前体。由此推断,钝顶节旋藻不能合成EPA与DHA。在钝顶节旋藻中共发现19个编码HNH型限制性内切核酸酶的基因与27个编码限制修饰系统的相关基因,然而在具有稳定遗传转化体系的集胞藻PCC6803的基因组中只发现1个编码HNH型内切核酸酶的基因与1个编码限制修饰系统的相关基因,这表明钝顶节旋藻的不稳遗传转化体系与基因组中的HNH型内切核酸酶基因与限制修饰系统的相关基因有重要的联系。钝顶节旋藻与极大节旋藻cs-328的比较基因学研究表明,这两个基因组共有3352个相似的ORFs,并且分别独占2637个ORFs与3126个ORFs。利用钝顶节旋藻十个最长的scaffolds与极大节旋藻cs-328十个最长的Contigs进行了基因组的结构比较,结果显示这两个基因组的一些区域存在明显的共线性,一些区域基因组发生了明显的DNA插入与倒位事件。这表明这两个物种在进化过程中基因组在一些区域保持一致的情况下,同时在一些区域发生了巨大分歧,对极大节旋藻cs-328独有的3126个ORFs分析表明,这两个物种基因组的分歧可能与极大节旋藻cs-328基因组中大量存在的编码转座酶与反转座酶相关。