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螺旋藻基因组结构分析和藻胆蛋白的适应性进化

赵方庆  
【摘要】:螺旋藻(spirulina,或称节旋藻Arthrospira)是一类丝状不形成异型胞的蓝藻,常分布于湖泊、池塘和半咸水中。作为目前利用最广泛的经济微藻,螺旋藻的规模培养、生理生化以及分子遗传等都受到了广泛的关注。但由于缺乏足够的基因组信息,影响了螺旋藻的品种改良以及进一步的基因功能产品的开发。 本研究从挑取单藻丝开始,建立了钝顶螺旋藻(spirulina platensis)的纯培养体系,并构建插入片段分别为1-2Kb和4-6Kb的基因组文库,利用鸟枪法进行全基因组测序,共得到具有8倍覆盖度的7.4Mb拼接后的基因组数据。在该草图中,预测有7795个开放读码框(ORFs),其中包括长度小于120个氨基酸的ORFs和非全长ORFs。在所有蛋白编码序列中,约有39%的基因是螺旋藻特有的,此外,还有389个基因相对于其他蓝藻,与非蓝藻基因有着更高的相似性。通过Pfam结构域聚类分析发现,螺旋藻含有特有的结构域,如Peptidase_MA、DMT、OB、ATP-grasp、Flavokinase等。 由于目前尚未有成熟的螺旋藻遗传转化系统,而其体内复杂的限制性内切酶系可能是妨碍外源基因顺利导入和整合的关键因素。在此草图的基础上,我们利用比较基因组学和分子进化的手段,深入分析了螺旋藻及其他蓝藻的限制修饰系统(Restrietion-modifieation system),为建立螺旋藻的遗传转化技术,并实现后续的螺旋藻基因功能验证模式奠定了基础。 螺旋藻及其他蓝藻的基因组计划提供了大量基因组序列和结构信息,有助于我们深入了解光合微生物基因的结构、功能和进化,以及环境因子或特定突变是如何塑造其基因组的。本文以藻胆蛋白为例,利用分子进化和群体遗传学理论,描绘出一幅藻胆蛋白进化的动态图景,并分析了环境-结构-功能之间的相互联系,为藻类捕光色素进化机制理论提供了科学依据。 本研究结果发现低光适应型原绿球藻和海洋聚球藻的藻红蛋白中正选择位点分布有着显著差异,提示二者的藻红蛋白基因有不同的进化模式;正选择作用位点多集中在藻胆蛋白的色基结合区域及XY发卡结构处,这些结构域主要与藻胆蛋白的光能捕获、能量传递和结构组装有关。该研究结果不仅揭示了正选择作用的重要性,而且提示光质、光强和能量传递压等可能是潜在的正选择压力。此


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