【項目文章】轉錄組測序研究小球藻的蝦青素和三酰甘油的合成通路中的基因表達

中文名:轉錄組測序研究小球藻的蝦青素和三酰甘油的合成通路中的基因表達
英文名:Transcriptome analysis of Chlorella zofingiensis to identify genes and their expressions involved in astaxanthin and triacylglycerol biosynthesis
雜志:Algal Research
影響因子:5.014

 

研究背景

小球藻為單細胞可食用綠藻,能夠合成蝦青素和油脂;蝦青素是一種結構獨特的酮式類胡蘿卜素,是自然界已知最強的抗氧化劑。含油脂高的藻類可作為生物質能源。

實驗設計

材料選擇:小球藻 取種子細胞培養到生長對數期的后期,分成3組,用于做不同處理;
處理方式:對照組T1:不做處理;
高光處理組T2:光照90μmol光子?2 s?1,6h;
葡萄糖誘導組T3:30g/L葡萄糖處理, 6h;
測序方法:Hiseq2500,4G/樣;

技術路線:

 

研究結果

1. 蝦青素和脂類定量分析

對照和葡萄糖處理組相比,葡萄糖誘導下的小球藻中,蝦青素含量96h后增加了30倍,而處理組中96h后只增加了8倍。脂類和TFA含量也有類似的情況。對照組中這三種成分增加較少可能是培養基中營養成分限制的原因,在氮饑餓的情況下,導致在相同器官中蝦青素和脂肪酸產量增加。

2. RNA-SEQ分析

三種不同的處理構建三個文庫,測序獲得clean data 10.63G,Trinty組裝獲得32931個unigenes。52.8%的unigenes在NR,Swiss-Prot,KEGG,GO,COG獲得注釋。

3. 差異表達基因分析

計算RPKM,做差異表達分析。T1與T2差異表達基因數為580,T1與T2差異表達基因數為1489。在光處理和葡萄糖處理兩種情況下,差異基因功能注釋表明這些基因都是與翻譯、核糖體、蛋白過程、脅迫和碳固定相關的。在光處理下,卟啉和葉綠素代謝、光刺激應答是被富集的。在葡萄糖處理情況想,葡萄糖、能量產生和轉化、脂肪合成等都是被富集的;而這些基因在光合作用、核糖體、蛋白運輸通路中是減少的。在碳源充足的情況下,生長和能量存儲基因是上調表達的,而光合作用是下調表達的。

4. RT-PCR驗證

作者選了10個與蝦青素和三酰甘油合成有關的unigenes進行了RT-PCR驗證,其中9個基因的表達趨勢與RNA-seq結果一致。只有PDS兩種結果不同,可能是RNA-seq結果不準確,因為前人的研究成果中,葡萄糖是上調PDS表達的,與本文中RT-PCR結果一致。

5. 蝦青素合成

在轉錄組測序結果中,發現MEP通路中的8個基因都被鑒定到,但是在MVA通路中只有2個基因被檢測到,其中HMG表達不顯著,ACAT表達量下降。這些結果表明小球藻中蝦青素的合成通路中IPP和DMAPP是MEP通路合成的。其中,發現一個可能編碼β-胡蘿卜素激酶(BKT2)與數據庫中的BKT1比對率僅為56%。功能分析發現BKT2可以轉化β-胡蘿卜素成為角黃素。下圖為蝦青素合成通路圖。在葡萄糖處理情況下,與蝦青素合成相關的6個基因上調差異表達。在小球藻中,葡萄糖誘導蝦青素的合成,伴隨著BKT1,CHYb,PDS在24h內上調表達。為研究轉錄組水平基因表達量與產物含量的關系,分析了5個限速基因的表達量,這些基因在葡萄糖處理72h或92h表達量達到最高,相應的,蝦青素的積累量也在96h達到穩定水平。

6. 三酰甘油的合成

藻類和植物中脂肪酸的生物合成主要在葉綠體中進行。乙酰-CoA作為合成的起始物質。基于轉錄組測序,小球藻質體中脂肪酸合成基因被鑒定到。在葡萄糖處理情況下,這些基因大都表達量上調。另外這次測序結果中還發現幾個基因對應的不同轉錄本。由于BC和SAD是脂肪酸合成的限速酶基因,做了進一步分析,發現BC和SAD表達量從6h到72h表達量持續上升,對應的三酰甘油含量從24h到96h持續增加。

三酰甘油(TAG)合成有兩條通路:乙酰-CoA依賴的通路和乙酰-CoA不依賴的通路;轉錄組數據中兩條通路中的基因都被鑒定到。

 

文章亮點

1:材料選擇+處理條件;
小球藻關注的成分具有重要的經濟價值,處理條件是可以促進經濟成分積累,研究更加有利用價值;

2:實驗數據+前人結果,深入驗證;
測序結果中重點關注關鍵成分(蝦青素和TAG)合成通路中的每一個基因,對其進行差異分析,并做不同時期的表達量分析;解釋清楚在處理情況下,物質合成與基因表達的關系。針對本文的研究結果與前人研究成果比較分析。

 

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