王以斌張愛(ài)軍劉芳明鄭洲繆錦來(lái)

（1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，青島 266235）

南極冰藻對(duì)南極極端環(huán)境的適應(yīng)性研究進(jìn)展

王以斌1，2張愛(ài)軍1劉芳明1，2鄭洲1，2繆錦來(lái)1，2

（1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，青島 266235）

南極冰藻是生存在南極海水、海冰及冰川融水等環(huán)境中各類微藻的總稱，是南極海冰-海水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)群體和主要的初級(jí)生產(chǎn)力來(lái)源。南極冰藻有特殊的適應(yīng)機(jī)制來(lái)響應(yīng)南極地區(qū)低溫、季節(jié)性光照、強(qiáng)紫外輻射和高鹽度等極端環(huán)境，其環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制的研究是各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。綜述了南極冰藻的低溫、光照和強(qiáng)紫外輻射適應(yīng)性及其抗逆基因研究等方面的最新進(jìn)展，以期從多方面闡述和揭示南極冰藻的極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，使人們能更清晰的了解南極微藻在整個(gè)地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的作用。

南極冰藻；極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制；低溫適應(yīng)性；紫外輻射；基因調(diào)控與響應(yīng)

DOI：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.10.015

南極是地球上最冷的區(qū)域之一，低溫是極地生態(tài)環(huán)境最基本的特征，海水和海冰的溫度常年在0℃以下，海冰的溫度甚至可以低至-50℃［1］。此外，還有季節(jié)性的光照、臭氧空洞造成的強(qiáng)紫外輻射以及海水-海冰反復(fù)凍融造成的鹽度大幅度變化等特點(diǎn)［2］。南極冰藻是生存在南極海水、海冰及冰川融水等極端環(huán)境中各類微藻的總稱［3］，是南極生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)群體和食物鏈的關(guān)鍵組成部分［4］，也是夏季南大洋海冰-海水生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級(jí)生產(chǎn)力來(lái)源［5］，冰藻對(duì)南極海冰區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的直接貢獻(xiàn)率超過(guò)20%［6］。

低溫、季節(jié)性光照和強(qiáng)紫外輻射是南極地區(qū)最顯著的環(huán)境特點(diǎn)，冰藻對(duì)南極極端環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制的研究主要集中在這些方面，冰藻需要有特殊的適應(yīng)機(jī)制來(lái)響應(yīng)比其他地區(qū)更惡劣和劇烈變化的南極環(huán)境。20世紀(jì)90年代以后，隨著南極地區(qū)生態(tài)學(xué)研究計(jì)劃的進(jìn)行，各國(guó)科學(xué)家對(duì)冰藻的生理生化特性以及環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制等方面開(kāi)展了大量的研究工作。目前，南極冰藻中小球藻（Chlorella sp.）、衣藻（Chlamydomonas sp.）和角毛藻（Chaetoceros sp.）等種屬的環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制已有廣泛和深入的研究［4］。近年來(lái)隨著現(xiàn)代分子技術(shù)的日益成熟，其環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制的研究逐漸深入到基因和分子水平。基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的研究以及新基因和新的代謝途徑等的發(fā)現(xiàn)，有助于人們揭示和闡述南極冰藻的極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制。本文綜述了當(dāng)前在南極冰藻的低溫、光照和強(qiáng)紫外輻射適應(yīng)性及其抗逆基因研究等方面的最新進(jìn)展。以期從多方面闡述和揭示南極冰藻的極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，使人們能更清晰的了解南極微藻在整個(gè)地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的作用。

1　南極冰藻對(duì)低溫的適應(yīng)性

低溫適應(yīng)性是南極冰藻最基本的適應(yīng)性特征。冰藻對(duì)溫度逆境的適應(yīng)主要在于其生物膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是其胞內(nèi)細(xì)胞膜的流動(dòng)性機(jī)制、細(xì)胞膜不飽和脂肪酸的變化機(jī)制、抗凍蛋白及冰活性物質(zhì)、低溫酶的作用機(jī)制等共同作用的結(jié)果。在極地環(huán)境中，不同脂肪酸組分的積累在生物的生存策略中發(fā)揮了極其重要的作用［4］。極地的低溫環(huán)境顯著地影響到脂肪的代謝，脂肪酸的不飽和化是冰藻低溫適應(yīng)的重要策略［4］。冰藻通過(guò)增加細(xì)胞膜磷脂脂肪酸的不飽和度、降低碳鏈長(zhǎng)度和增加支鏈脂肪酸的含量等方式，保持細(xì)胞膜的最佳流動(dòng)性，從而維持細(xì)胞在低溫下的正常生理功能。因此，膜系統(tǒng)和脂肪酸的研究是南極冰藻低溫適應(yīng)性研究的熱點(diǎn)。

Tonon等［7］在南極小球藻Chlorella sp.中的研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，Δ12脂肪酸（16∶2、 16∶3、18∶2、18∶3）的總量升高；而在舟形藻Navicula sp.中隨著溫度的升高20∶5不飽和脂肪酸含量降低［8］。Hu等［9］發(fā)現(xiàn)南極小球藻Chlorella vulgaris的抗凍能力與其胞內(nèi)的C18∶3脂肪酸含量相關(guān)。4℃和15℃條件下，南極小球藻Chlorella vulgaris NJ-7中Δ12去飽和酶基因的表達(dá)量分別是25℃時(shí)的4.9倍和3.2倍，說(shuō)明低溫下NJ-7胞內(nèi)不飽和脂肪酸的含量明顯增加［10］。最適生長(zhǎng)溫度條件下，同種屬極地微藻中的長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸EPA和DHA的產(chǎn)出效率高于該種屬的溫帶微藻［11］。Teoh等［12］研究了分別來(lái)自南極、溫帶和熱帶海洋的衣藻、小球藻和舟形藻的溫度適應(yīng)性發(fā)現(xiàn)，只有南極衣藻C. UMACC 229在4-20℃時(shí)能顯著產(chǎn)生多不飽和脂肪酸（PUFA），并且PUFA中十六碳三烯酸（16∶3）占到總脂肪酸含量的約50%（48.4%-57.2%），PUFA總量占總脂肪酸的65.7%-76.5%。在南極舟形藻N. glaciei UMACC 231中，4-20℃時(shí)單不飽和脂肪酸（MUFA）占總脂肪酸比值較大（28.4%-59.3%），且主要是十六碳烯酸（25.4%-56.3%），PUFA所占比例只有11.6%-30.9%；而在南極小球藻C. UMACC 237中，飽和脂肪酸占67.2%-84.2%［12］。這些研究結(jié)果說(shuō)明環(huán)境溫度對(duì)脂肪酸的影響顯著，不同種屬南極微藻中脂肪酸的組成和含量對(duì)溫度變化的響應(yīng)結(jié)果不同，顯然，各種南極微藻中脂肪酸對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性策略和機(jī)制是明顯差異的。

南極微藻對(duì)低溫的適應(yīng)不僅是增加細(xì)胞膜磷脂中不飽和脂肪酸的含量，也許更重要的是在葉綠體膜組成中增加半乳糖脂的含量［13］，這一研究結(jié)論在南極衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L中同樣獲得了證實(shí)。在-20℃低溫處理后，C. ICE-L類囊體膜中的單半乳糖脂和雙半乳糖脂的含量均明顯增加，同時(shí)類囊體膜脂肪酸的不飽和度隨低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，其中十八碳-9，12，15-三烯酸（18∶3ω9）的含量增加明顯［14］。低溫和弱光脅迫過(guò)程中，完整PS I復(fù)合物、ATP合成酶、細(xì)胞色素b6f和RuBP羧化酶能夠保持穩(wěn)定；同時(shí)，葉綠體中葉綠素a與類囊體膜中單半乳糖脂、十六烷酸和十八碳-9，12-二烯酸的變化存在一致趨勢(shì)，表明C. ICE-L的類囊體膜在低溫下的穩(wěn)定性和弱光環(huán)境中完成光合作用是細(xì)胞內(nèi)色素、類脂、脂肪酸和色素蛋白復(fù)合物等相互協(xié)調(diào)作用的結(jié)果［14］。C. ICE-L在低溫、高鹽和缺氮的條件下胞內(nèi)會(huì)大量積累脂肪顆粒，這可能是其在應(yīng)對(duì)南極低溫和漫長(zhǎng)的極夜等惡劣的環(huán)境過(guò)程中形成的自我保護(hù)機(jī)制［15］。

冰結(jié)合蛋白（Ice-binding protein，IBP）或者稱作抗凍蛋白（Antifreeze protein，AFP），在南極冰藻的低溫適應(yīng)性機(jī)制中具有抑制冰晶凝結(jié)和防凍液的作用［16，17］，同時(shí)還可以在一定程度上改變冰晶的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造適合冰藻生存的環(huán)境［18］。低溫脅迫時(shí)，南極角毛藻Chaetoceros neogracile的冰結(jié)合蛋白可以將細(xì)胞周邊冰晶的形狀由圓盤(pán)形改變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)的六角形［19］。南極衣藻C. raudensis UWO 241培養(yǎng)液中上清液在1℃時(shí)具有明顯的冰結(jié)合蛋白活性，通過(guò)轉(zhuǎn)錄從中獲得了冰結(jié)合蛋白基因序列，而在溫帶衣藻中則未發(fā)現(xiàn)該蛋白基因序列［20］。南極淡水?dāng)M衣藻Chloromonas sp.的冰結(jié)合蛋白基因表達(dá)量在溫度下降時(shí)增加，而在溫度升高時(shí)降低；其蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)顯示該蛋白是右手β螺旋結(jié)構(gòu)，模型預(yù)測(cè)顯示β-2面是IBP蛋白與冰的結(jié)合區(qū)域［21］。

蛋白酶抑制分析表明，南極和中溫藍(lán)藻Synechocystis salina分別使用不同的蛋白酶類響應(yīng)溫度和UV-B輻射的脅迫，在小球藻Chlorella vulgaris中也是相似的［22］。在中溫藍(lán)藻S. salina和C. vulgaris中，蛋白酶的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)溫度和UV-B變化的響應(yīng)更敏感［22］，這可能是極地藻已經(jīng)適應(yīng)了低溫和強(qiáng)輻射的環(huán)境，因此所產(chǎn)生的應(yīng)激響應(yīng)不明顯。

除了脂肪酸、冰結(jié)合蛋白、低溫酶等在冰藻低溫適應(yīng)機(jī)制中發(fā)揮主要的作用外，胞內(nèi)的氨基酸和多糖類等也有助于降低細(xì)胞內(nèi)的冰點(diǎn)以及維持酶的低溫下穩(wěn)定催化活性［4］，如C. ICE-L中的脯氨酸和可溶性糖在其低溫適應(yīng)的過(guò)程中發(fā)揮了一定作用［23］，Lyon等［24］對(duì)極地硅藻蛋白組學(xué)的研究也表明低溫下7種蛋白含量的增加與其胞內(nèi)的脯氨酸合成有直接關(guān)系。

2　南極冰藻對(duì)季節(jié)性光照和強(qiáng)紫外輻射的適應(yīng)性

南極大陸邊緣每年有近4個(gè)月的時(shí)間處于極夜，這段時(shí)間內(nèi)冰藻會(huì)完全生活在黑暗中，研究顯示冰藻對(duì)黑暗的最長(zhǎng)耐受時(shí)間可達(dá)9個(gè)月［4］，而當(dāng)溫度和光照恢復(fù)后，它們又會(huì)迅速的恢復(fù)增長(zhǎng)甚至形成藻華［25］。南極冰藻的生長(zhǎng)對(duì)于低溫和黑暗具有自我保護(hù)，低溫和黑暗會(huì)抑制冰藻的生長(zhǎng)。在抑制期內(nèi)，南極衣藻Chlamydomonas sp.細(xì)胞內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定；當(dāng)溫度升高（由-4℃升高到4℃）時(shí)，其生長(zhǎng)速度則明顯加快［26］。不同冰藻的捕光天線結(jié)構(gòu)的不同引起對(duì)光能的利用機(jī)制和效率不同，從而造成了其生存環(huán)境的差異，如南極硅藻F. cylindrus可以利用非光化學(xué)淬滅和葉黃素循環(huán)來(lái)調(diào)整光能量的分配，其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適于海冰的有限光環(huán)境中吸收更多的光能量，從而最大限度的進(jìn)行光合作用，但其卻不能生存在海水中；另一種硅藻P. subcurvata則只能生活在有穩(wěn)定光照的淺水環(huán)境中；角毛藻Chaetoceros sp.的光系統(tǒng)能力介于二者之間，在大洋和海冰中均能生存［27］。當(dāng)光照的強(qiáng)度超過(guò)正常輻照強(qiáng)度時(shí)（＞10倍），南極衣藻C. raudensis UWO241可以通過(guò)增加細(xì)胞的生長(zhǎng)率來(lái)抵消光照幅度增加的影響，而不是表現(xiàn)出光的生長(zhǎng)抑制；而南極小球藻Chlorella sp. BI則是通過(guò)調(diào)整細(xì)胞內(nèi)光系統(tǒng)PS I和PS II的動(dòng)態(tài)平衡來(lái)調(diào)整光吸收能力從而維持最佳的光合作用狀態(tài)［4］。

南極臭氧層破壞所帶來(lái)的強(qiáng)紫外輻射對(duì)微藻等單細(xì)胞生物有致命性的危害［28］。南極微藻首先可借助南極大量的雪和冰層屏蔽UV-B輻射，但當(dāng)冰雪層融化后，浮游植物最容易受到UV-B的損傷［2］，UV-B增強(qiáng)導(dǎo)致浮游植物固定CO2減少，增強(qiáng)了溫室效應(yīng)［29］；高能量的UV-B輻射不僅直接傷害生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、色素、脂類和DNA等［30］，而且產(chǎn)生超氧自由基和形成嘧啶二聚體，超氧自由基會(huì)導(dǎo)致DNA鏈的斷裂，而嘧啶二聚體能阻礙DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，阻止遺傳信息傳遞，大大降低微生物的生長(zhǎng)和繁殖速度［31］。但南極衣藻C. ICE-L中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，UV-B輻射的影響并非如預(yù)測(cè)的顯著。本課題組的研究成果已初步證實(shí)南極衣藻C. ICE-L中CPD光修復(fù)酶對(duì)DNA紫外線輻射損傷的修復(fù)功能［32］，所獲得光修復(fù)酶基因在大腸桿菌體內(nèi)驗(yàn)證表達(dá)具有光修復(fù)酶活性，體外檢測(cè)表明該光修復(fù)酶對(duì)紫外輻射所形成嘧啶二聚體的修復(fù)率達(dá)91.52%［33］。

Rautenberger等［34］研究了7種南極海冰微藻（4種褐藻、3種紅藻）對(duì)低溫和紫外輻射的耐受力，包括潛在光化學(xué)反應(yīng)能力（Fv/Fm）、清除自由基能力等。2℃時(shí)3種紅藻對(duì)紫外輻射非常敏感，F(xiàn)v/Fm下降非常明顯，而在7℃時(shí)Fv/Fm的變化卻不明顯，說(shuō)明在7℃時(shí)UV耐受力明顯增加［34］。溫度升高后時(shí)7種冰藻對(duì)UV的耐受度均不同程度增強(qiáng)，是由于溫度升高后細(xì)胞自身活力增強(qiáng)，其自身的光損傷修復(fù)能力也隨之增強(qiáng)，使得對(duì)UV的損傷修復(fù)和耐受度增加，說(shuō)明細(xì)胞的紫外輻射耐受度是受到溫度影響的，同時(shí)也證明了冰藻中光損傷修復(fù)機(jī)制的重要作用。在A. mirabilis中，UV增強(qiáng)引起胞內(nèi)可溶性多酚清除自由基能力的增加，能夠大幅度提高其對(duì)UV的耐受度；而在H. grandifolius中，7℃時(shí)UV對(duì)細(xì)胞的損傷影響則被自身修復(fù)作用完全抵消了［34］。在南極大型藻褐藻L. nigrescens和D. antarctica中，強(qiáng)光照下15℃時(shí)胞內(nèi)可溶性物質(zhì)的抗氧化活性與多酚含量是與紫外輻射的強(qiáng)度是正相關(guān)的，而在弱光下15℃處理6 h后，F(xiàn)v/Fm增加同時(shí)脂類過(guò)氧化保護(hù)作用降低，說(shuō)明其在弱光下保留了自身的光保護(hù)和修復(fù)能力［35］。同樣，南極潮下帶的大型褐藻D. anceps在上層潮區(qū)是通過(guò)增加超氧化物歧化酶活性來(lái)提高光合系統(tǒng)的氧應(yīng)激能力并保護(hù)光系統(tǒng)以抵御強(qiáng)光輻射帶來(lái)的損傷，同時(shí)，胞內(nèi)多酚的含量增加也增強(qiáng)了對(duì)UV的耐受力；而在潮下帶的下層區(qū)，光線透過(guò)率低，D. anceps則需要調(diào)整光捕獲能力來(lái)增強(qiáng)弱光環(huán)境下的光合作用［36］。Huovinen等［37，38］的研究結(jié)果也顯示，隨著水深的不同和輻照光強(qiáng)的差異，大型藻對(duì)光的利用機(jī)制和紫外輻射損傷的修復(fù)機(jī)制是不同的。這說(shuō)明南極大型藻中UV的耐受力和光系統(tǒng)自我保護(hù)機(jī)制也是因環(huán)境而變的，同一物種在應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫時(shí)，環(huán)境因子的脅迫量不同其適應(yīng)機(jī)制也是不同的，這與南極冰藻中的研究結(jié)論一致。

冰藻細(xì)胞中存在的強(qiáng)大抗氧化系統(tǒng)是其抵御南極環(huán)境中強(qiáng)紫外輻射和高活性氧的保障，其胞內(nèi)存在大量能消除自由基的物質(zhì)，如谷胱甘肽系統(tǒng)、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶等通過(guò)氧化還原反應(yīng)消除氧自由基［4，39，40］。南極硅藻Chaetoceros brevis中，隨著輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，胞內(nèi)葉黃素循環(huán)增加，同時(shí)超氧化物歧化酶活性增強(qiáng)，以消除輻照增強(qiáng)所帶來(lái)的氧自由基增加，保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷［41］。南極硅藻Chaetoceros neogracile中存在著抗壞血酸還原酶、谷氧還原蛋白、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶和交替氧化酶等多種抗氧化酶，極地冰藻中細(xì)胞免受氧化損傷的結(jié)果是多種抗氧化酶共同作用所產(chǎn)生的［42］。多不飽和脂肪酸在冰藻的低溫適應(yīng)性機(jī)制中作用非常重要，同時(shí)其非常易于氧化，谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶可以與親電中心結(jié)合成絡(luò)合物以保護(hù)多不飽和脂肪酸免受過(guò)氧化氫等氧化反應(yīng)的氧化［4］。谷胱甘肽系統(tǒng)的上述作用已經(jīng)在南極衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L［43］和硅藻Fragilariopsis cylindrus［24］中得到了證實(shí)。

3　南極冰藻的抗逆基因研究

南極冰藻環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制的研究已進(jìn)入基因組學(xué)水平。極地冰藻的基因組可提供給人們很多關(guān)于冰凍圈內(nèi)以前未知的基因、蛋白和代謝途徑等有價(jià)值的信息［4］。南極單細(xì)胞綠藻Coccomyxa subellipsoidea C-169是第一個(gè)完成全部基因組測(cè)序的極地真核微生物［44］，其基因組中包括了脂肪酸合成酶、去飽和酶及酯酶等大量的脂肪酸酶家族基因，而細(xì)胞膜脂肪酸的不飽和化是冰藻對(duì)低溫脅迫的重要響應(yīng)機(jī)制［4］。相對(duì)于同種屬的溫帶微藻，C-169的基因能合成更多的氨基酸轉(zhuǎn)移酶和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，以促進(jìn)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和富集［44］。此外，極地硅藻Fragilariopsis cylindrus的全基因組測(cè)序也已完成并公開(kāi)［45］，在其經(jīng)過(guò)鑒定的56個(gè)蛋白中發(fā)現(xiàn)有3個(gè)是以前未知的［4，24］。Raymond等［46］在南極雪藻擬衣藻Chloromonas sp. CCMP681中發(fā)現(xiàn)包括抗凍蛋白在內(nèi)的多條有價(jià)值的功能基因。此后，通過(guò)轉(zhuǎn)錄獲得了南極衣藻C. raudensis UWO 241的冰結(jié)合蛋白基因，并最終通過(guò)異源表達(dá)和純化驗(yàn)證獲得了高純度的冰結(jié)合蛋白［20］。南極角毛藻Chaetoceros neogracile的冰結(jié)合蛋白基因中開(kāi)放閱讀框長(zhǎng)度為849 bp和282個(gè)氨基酸，蛋白分子量是29.2 kD［19］。南極擬衣藻Chloromonas sp.中冰結(jié)合蛋白基因長(zhǎng)度為3.2 kb，含有12個(gè)外顯子，其蛋白的分子量是34.0 kD［21］。

不同生態(tài)環(huán)境中存在的同一物種或種屬生物的基因差異和環(huán)境適應(yīng)變化的比較對(duì)生物環(huán)境適應(yīng)性的研究更具有價(jià)值，目前也已有學(xué)者開(kāi)始了這方面的研究［12，47］。廣泛分布于世界各地海洋和淡水，包括高山冰川中的衣藻（Chlamydomonas sp.）便是這樣一種重要的模式藻種［16］。淡水中有著名的萊茵衣藻（C. reinhardtii）［16］，在南極地區(qū)有C. raudensis UWO241［48］和C. ICE-L［14，15］，北極海冰中有C. ARC［49］，此外還有高山冰雪中的C. nivalis［50］等。

基因表達(dá)的變化是南極冰藻適應(yīng)極端環(huán)境的重要響應(yīng)［51］。Chong等［51］從南極小球藻Chlorella UMACC 234中篩選出22個(gè)響應(yīng)溫度脅迫（4℃、20℃和30℃）的差異基因并研究了其表達(dá)情況，這些基因主要與細(xì)胞的維持、光合系統(tǒng)、電子轉(zhuǎn)移和碳水化合物的代謝相關(guān)聯(lián)，其中葉綠體蛋白PSIICP47在4℃時(shí)的表達(dá)量是20℃時(shí)（最適生長(zhǎng)溫度）的3倍［51］。南極衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L中，Liu等［52］克隆得到編碼651個(gè)氨基酸的熱激蛋白Hsp 70的基因全長(zhǎng)序列；Zhang等［53］克隆得到編碼434個(gè)氨基酸的ω-3脂肪酸脫氫酶的基因全長(zhǎng)序列，基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)熱激蛋白Hsp 70和ω-3脂肪酸脫氫酶均能夠應(yīng)答低溫和高鹽度的脅迫［52，53］。

本課題組近期在南極冰藻基因組學(xué)及逆境脅迫相關(guān)基因和蛋白的功能驗(yàn)證、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、基因和蛋白表達(dá)調(diào)控分析等方面開(kāi)展大量工作［15，32，54，55］，已完成南極冰藻Chlamydomonas sp. ICE-L中轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序及分析。對(duì)C. ICE-L中與光捕獲和光防護(hù)相關(guān)的集光復(fù)合體（Light harvesting complex，LHCs）的研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合體能夠應(yīng)答光照和鹽度的脅迫［15］；在強(qiáng)光、高鹽和紫外脅迫條件下，F(xiàn)v/Fm降低，而Lhc SR1和Lhc SR2的基因表達(dá)量均有大幅度升高，同時(shí)有較高水平的非光化學(xué)淬滅，兩者呈正相關(guān)性，Lhc基因在降低過(guò)剩光能防止光氧化對(duì)光合系統(tǒng)的破壞中起重要作用［15］?？寺×薈. ICE-L不飽和脂肪酸合成途徑中的Δ12、Δ9、Δ6和ω3等幾個(gè)關(guān)鍵基因，研究了溫度在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)C. ICE-L脂肪酸去飽和酶的調(diào)節(jié)作用和機(jī)制，并在聚球藻Synechococcus 6803中對(duì)Δ12CiFAD去飽和酶基因的功能進(jìn)行了體外表達(dá)驗(yàn)證［54］。分析了鹽脅迫下脂肪酸去飽和酶基因的表達(dá)，Δ12CiFAD、ω3CiFAD2和Δ6CiFAD基因在應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間鹽脅迫時(shí)具有保護(hù)細(xì)胞的作用，而ω3CiFAD1基因?qū)Ω啕}度的響應(yīng)更加敏感［55］。這些結(jié)果表明溫度和鹽度等環(huán)境因素可以通過(guò)影響脂肪酸去飽和酶的基因表達(dá)及其活性的調(diào)控，使C. ICE-L細(xì)胞得以迅速改變脂肪酸的組成來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化。已獲得C. ICE-L中編碼579個(gè)氨基酸的光修復(fù)酶PHR2基因，其與萊茵衣藻中PHR2基因的同源性為68%；通過(guò)構(gòu)建C. ICE-L中光修復(fù)酶PHR2基因的原核表達(dá)載體，驗(yàn)證了其光修復(fù)活性，證實(shí)了光修復(fù)酶對(duì)DNA紫外線輻射損傷的修復(fù)功能［32］，以上在南極冰藻Chlamydomonas sp. ICE-L中的基因和蛋白表達(dá)調(diào)控的研究為明確南極冰藻適應(yīng)低溫、強(qiáng)輻射以及鹽度環(huán)境的分子機(jī)理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4　結(jié)語(yǔ)

過(guò)去的10年間，基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等分子生物學(xué)工具和研究手段更多的應(yīng)用于極地冰藻環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制的研究中，并取得了巨大的成就。新發(fā)現(xiàn)的基因和代謝途徑不僅有助于人們更深入的揭示和闡述南極冰藻的極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，而且會(huì)對(duì)低溫酶、嗜冷基因等在生物技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，同時(shí)有助于人們更加清晰地了解極地微藻在整個(gè)地球生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的作用。

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（責(zé)任編輯 馬鑫）

Advances in Studies on the Acclimation of Antarctic Ice Microalgae to Extreme Environments

WANG Yi-bin1，2ZHANG Ai-jun1LIU Fang-ming1，2ZHENG Zhou1，2MIAO Jin-lai1，2
（1. First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061；2. Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266235）

Antarctic ice microalgae are the phytoplankton or microalgae that thriving in the pelagic，ice and meltwater environments of the Antarctic，which are the main sources of primary production in an otherwise barren region. Antarctic microalgae possess unique adaptations that allow them to proliferate in extreme conditions characterized by low or freezing temperature，seasonal light，strong ultraviolet radiation and high salinity fluctuations. Thus，understanding the underlying mechanisms of their acclimation has gained strong interests in the past years. This paper then aims to provide a succinct review on the progress，status and new paradigms of research on Antarctic microalgae. These new findings on Antarctic ice microalgae will help us gain deeper insights into the general adaptive mechanisms of all phytoplankton to extreme environment and the potential role of these organisms in the important biogeochemical cycles.

antarctic ice microalgae；extreme environment adaptive mechanisms；cold-adaptability；UV-radiation；gene regulation and response

2016-07-13

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府海洋科學(xué)研究中心聯(lián)合資助項(xiàng)目（U1406402），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41576187），中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015G10），中國(guó)極地科學(xué)戰(zhàn)略研究基金項(xiàng)目（20150303），國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201405015），青島市創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目（15-10-3-15-（44）-zch），青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2015ASKJ02）

王以斌，男，助理研究員，研究方向：極地海洋生物學(xué)；E-mail：wangyibin@fio.org.cn

繆錦來(lái)，男，研究員，研究方向：極地海洋生物學(xué)；E-mail：miaojinlai@fio.org.cn