速生集胞藻6803光合放氧速率、生长曲线及基因组分析（四）
本研究获得的高光6803基因组测序数据的序列覆盖度达到100.0%。首先，在与参考基因组进行比对分析后，共有11个插入/缺失突变(insertion-deletion，Indel)及115个单碱基突变(single nucleotide variants，SNV)从高光6803基因组中筛出。对上述SNV及InDel突变进行分析，发现在基因组和内源质粒上共有19个非同义SNV突变。其次，为确保基因组测序结果准确，我们扩增了这19个非同义SNV突变及11个InDel突变，并对PCR产物进行再测序，以排除假阳性。通过基因组测序数据与PCR再测序数据的交叉比对，筛选出20个有义突变。
已知在NCBI基因组数据库中除了我们选定的参考基因组序列(GCF_000009725.1，BA000022.2)外，还有其他10组集胞藻基因组序列数据。为明确上述20个有义突变是否为高光6803所特有，我们将这些突变与其他10组集胞藻6803突变株基因组序列、已发表的期刊数据进行交叉比对，最终筛选到2个仅存于高光6803基因组的突变(表1)，其余18个有义突变或已存在于NCBI数据库，或已在期刊文献中已报道。
为进一步验证表1中的2个基因突变是否仅存在于高光6803中，并且稳定存在，我们又从本实验室野生型6803和来自中国科学院遗传发育研究所汪迎春实验室的野生型6803基因组中PCR扩增表1中2个基因的同名片段并测序。比对结果显示，表1中的2个基因突变仅存在于高光6803基因组中。
经分析基因注释发现，高光6803特有的2个突变基因均编码功能蛋白。其中基因slr0947编码转录因子RpaB，该转录因子可响应外界光强变化，调控相关基因的转录；基因sll1434(mrcA)编码青霉素结合蛋白1B。而青霉素结合蛋白1B与蓝藻细胞壁中肽聚糖的合成和结构相关，在集胞藻6803中青霉素结合蛋白1B是必不可少的。高光6803特有的2个基因突变可能与细胞适应高光并利用高光快速生长相关，这可为研究速生蓝藻的共性机制及光合作用效率提供改造靶点。
表1高光6803的特有基因突变
小结
高光6803基因组中有2个特有基因突变。
2.5高光条件下高光6803与野生型6803转录组学比较分析
为揭示高光6803在高光下快速生长、光化学活性更高的机制，我们对2株集胞藻6803进行转录组分析。
首先对900μmol/(m2·s)高光条件下2株藻的转录组数据进行了初步整理。如图5所示，相较于野生型6803，高光6803共有77个差异表达基因，其中41个表达下调，另外36个表达上调。结合KEGG数据库给出的相关信息，上述77个差异表达基因可被归类于17个功能途径，其中大部分与能量-物质代谢、环境因子响应有关。与物质代谢途径相关的基因有50个，占总数的64.9%；与环境因子响应相关的基因有21个，占总数的27.3%，其中8个与双组分调控系统(two-component system，TCS)有关，13个与依赖ATP的ABC转运子相关；另有6个基因与细胞膜的形成、DNA修复及RNA降解等相关，占比为7.8%。对碳、氮代谢相关基因的表达情况分析后，发现高光6803基因组上与碳、氮同化相关的基因的表达水平均上调，与有机物降解利用相关的基因的表达水平则均下调。已知离子跨膜转运及碳、氮元素同化代谢都消耗大量能量，因此这一转录组学分析结果可以初步解释高光条件下高光6803未发生光抑制且能够快速生长的原因，即通过跨膜离子转运及碳、氮元素同化代谢消耗胞内多余能量，减轻光抑制、光损伤对细胞造成的伤害。另一方面，相较于野生型6803，高光6803借助加强的能量-物质代谢，将来自高光的能量更有效地进行利用，提供充足的能量供给用于胞内的物质同化代谢；同化能力越强，则积累的生物量越多，生长亦越快。综上所述，相较于野生型6803，高光6803在高光培养条件下未表现出明显的光抑制或者光胁迫，通过增强的光合作用过程，吸收的光能被快速转化为化学能，为元素同化作用提供充足能量，增强的能量-物质代谢循环也为避免光损伤、加快细胞生长提供助力。
图5在高光强900μmol/(m2·s)下高光6803与野生型6803在不同代谢途径中的差异表达基因分布
为进一步解析高光6803利用高光快速生长的机制，我们对高光6803转录组数据中相比野生型6803表现出差异化表达的基因按其在能量-物质代谢循环中的位置、生理结构与功能进行分组(图6)。如图6所示，在900μmol/(m2·s)高光条件下，相较于野生型6803，高光6803的差异表达基因主要分布在光合作用、能量代谢、碳/氮代谢途径、跨膜物质转运、DNA损伤修复、调控响应等?？橹??？芍吖?803通过调控整个细胞的能量-物质代谢平衡实现野生型6803更高效的高光利用与快速生长。