海洋所在硅藻甲壳素代谢研究取得新进展

　近日，中科院海洋所海藻遗传与发育团队在mSystems期刊发表题为“Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches”的研究论文。该论文综合运用了宏组学、基因组学及异源功能验证等方法解析海洋硅藻几丁质合酶，相关结果为几丁质合酶基因在各大洋及海洋真核微生物中的分布与丰度提供了新认识，也为硅藻β-甲壳素合成的生物学意义及调控机理研究打下了基础。 

　　硅藻是海洋初级生产力的主要贡献者，海洋吸收的CO2约有40%由硅藻固定，与热带雨林固碳量相当。甲壳素（又称几丁质）是硅藻重要的碳积累产物，也是海洋环境中最重要的碳、氮来源。海洋每年可合成数十亿吨甲壳素，其合成与降解对海洋生态系统的碳氮循环起着关键作用。尽管1965年就有报道硅藻能够合成甲壳素，但是半个多世纪以来的研究侧重于细胞学观察和化学结构分析，未有从分子生物学手段解析硅藻甲壳素合成与降解机理的报道。 

　　前期，海洋所海藻遗传与发育课题组与法国巴黎高等师范学院藻类基因组学团队合作，在硅藻甲壳素代谢机理解析方面开展了原创性工作。结合多组学数据挖掘和特异基因（TpCDA、TwCDA）功能验证，发现中心纲硅藻甲壳素相关代谢酶具有叶绿体、线粒体、内质网等复杂的细胞定位，CDAs基因丰度更高，对长链多聚甲壳素的催化能力更强，且同时具有几丁质脱乙酰酶和几丁质酶的活性，相关结果解释了中心纲硅藻甲壳素及其衍生物高合成能力的潜在原因（New Phytologist, 2019；Marine Drugs, 2021），也为壳聚糖、壳寡糖的绿色工业制备提供了新的思路（BMC Plant Biology，2021；Metabolites，2023）。 

　　考虑到甲壳素对于全球碳氮循环的重要生态学意义，团队又着眼于Tara Oceans全球采样大数据，从硅藻宏转录组中挖掘了4939条甲壳素代谢关联的基因序列，其中几丁质酶（Chitinase）主要存在于粒径较大的硅藻种属中，而几丁质结合蛋白（CBM_14）只在南大洋中有分布，表明其在极地环境中发挥某种特殊作用（图1）。同时，通过检索海洋真核微生物转录组数据库（MMETSP）、PhycoCosm及PLAZA硅藻组学数据集，发现除海链藻目之外，Mediophyceae和Thalassionemales或为潜在的β-甲壳素天然合成者。生物合成途径机理研究绕不开关键基因的功能验证，团队利用两种高效的异源遗传转化体系（酿酒酵母和三角褐指藻），验证了假微型海链藻中几丁质合酶（TpCHS）具有催化甲壳素糖链合成的生物学功能。值得一提的是，在转基因研究中，团队发现一个有趣的现象，即三角褐指藻虽然能够高效表达TpCHS1，但细胞形态异常，生长速率下降。结合激光共聚焦显微观察与细胞周期Marker基因表达量分析发现，TpCHS1定位于高尔基体与细胞膜系统，且与细胞分裂密切相关，而过表达株系生长速率下降可能与细胞周期调控中G2/M期检验点受到抑制有关（图2）。 

图1 甲壳素代谢相关基因在全球大洋的分布与丰度

图2 TpCHS1亚细胞定位与Pt过表达株生长曲线及与细胞周期Marker基因表达量

　　中科院海洋所副研究员邵展茹为论文第一作者，段德麟研究员与Chris Bowler教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划及欧盟第七框架计划等项目的资助。 

　　相关论文：Shao ZR et al. 2023. Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches. mSystems, e011312223. 

　　论文链接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/msystems.01131-22