一株深海来源硅藻Chaetoceros sp. DS1耐受长期低温与黑暗胁迫的调控机制研究

Phytoplankton is a major contributor to the primary productivity of the oceans. Recently, many kinds of living phytoplankton cells were found down to 1000 m in the deep sea, and diatoms accounted for a large proportion. However, little is known about the tolerance and/or adaptation mechanism of living phytoplankton to low temperature, darkness and high pressures conditions of the deep sea. A diatom, Chaetoceros sp. DS1, was isolated from the 1000 m depth water of Mariana Trench, and our test showed that it could alive over 3 months with low temperature and darkness. This strain is an ideal material to investigate the tolerance and/or adaptation mechanism of algae that exist in the deep sea. In this project, the transcriptome and physiological response of Chaetoceros sp. DS1 to low temperature and darkness will be investigated. Moreover, the related pathway including cell cycle, photosynthesis and metabolism will be analyzed to reveal the regulation mechanism of Chaetoceros sp. DS1. This study will provide very important information for understanding the survival mechanism of typical phytoplankton (such as diatom) in the deep sea environment.

浮游植物是海洋初级生产力的主要贡献者。人们发现即使在>1000 m的无光深海中亦有多种活体浮游植物细胞存在，其中硅藻相对较多。目前关于深海中活体藻类对深海低温、黑暗和高压等极端环境的耐受/适应机制了解极少。申请人实验室自马里亚纳海沟1000 m深海中分离到一株硅藻-角毛藻DS1(Chaetoceros sp. DS1)，并发现它可在低温和黑暗条件下持续存活3个月以上。该藻是研究少数能存活于深海的藻类（此处不能说是“深海藻”）对深海极端环境耐受/适应机制的理想藻种。本项目拟在前期研究基础上，利用转录组技术，结合生理生化指标，分析角毛藻DS1在长期低温和黑暗(暂不考虑高压)条件下的基因转录表达和生理响应，并对细胞周期，光合作用及储能物质转化等代谢通路深度分析，挖掘该藻耐受长期低温和黑暗胁迫的调控机制。该项目研究结果将为揭示存活于深海环境中典型浮游植物（如硅藻）的生存机制提供重要参考。

海洋浮游植物是重要的初级生产者，在海洋生态系统的物质循环和能量流动中起重要作用。浮游植物在真光层中广泛分布，而在深海水层分布极少。最初人们认为，浮游植物通过物理沉降、粪便打包沉降等方式从真光层沉降至深海环境会很快降解，它们在深海环境中不会存活。在深海中仅存在浮游植物的死细胞或者细胞碎屑。近年来，随着对深海的不断探索，越来越多的研究表明在深海环境中仍存在健康且具有生理活性的浮游植物细胞。然而，目前，对深海活体浮游植物的分离纯化的研究极少，这也限制了我们对深海浮游植物以及它们对深海极端环境的耐受或适应机制的了解。本项目以分离于1000 m深海水层、具有较强耐受黑暗能力的一株硅藻（Chaetoceros sp. DS1）为研究对象，解析该藻株在模拟深海极端环境下的适应机制。研究发现，Chaetoceros sp. DS1在低光照下生长最好并且具有异养功能。与常规浮游植物植物相比，它具有更强的耐受黑暗的能力。Chaetoceros sp. DS1在长期低温黑暗条件下，可较长时间的保持藻细胞和光合系统的完整性，这为其恢复光照后的快速生长提供保障。通过对转录组和生理参数分析，结果发现在低温黑暗条件下Chaetoceros sp. DS1细胞分裂能力降低，无机营养盐的吸收和利用能力及物质代谢能力降低，大分子物质的分解代谢能力增强，不饱和脂肪酸合成能力增强，这为低温黑暗条件下的长期存活提供能量保障。该项目的实施可增加我们对浮游植物在深海极端环境下的生存机制的认识，为揭示存活于深海环境中典型浮游植物（如硅藻）的生存机制提供重要参考。

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