【儀表網 研發快訊】海洋微藻是全球碳循環的重要驅動力，通過光合作用每年固定約110億噸碳，占全球初級生產力的50%以上。由于水體中CO2溶解度較低，微藻在進化過程中形成了高效的CO2濃縮機制。然而，這一機制在低CO2條件下的激活涉及多細胞器協同與代謝網絡重編程，深層調控機理尚未完全闡明。近年來，DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳調控逐漸被證實是光合生物適應環境脅迫的核心機制，但工業微藻的表觀基因組研究卻一直缺乏系統性、多維度的表觀遺傳調控圖譜，嚴重限制了對其低碳適應策略的理解。
針對這一問題，青島能源所單細胞中心公衍海副研究員和王勤濤副研究員帶領的研究團隊以海洋微擬球藻為模式，通過涵蓋DNA甲基化、組蛋白修飾、核小體占位及三維染色質結構等多維度表觀基因組測序，構建了適應低CO2濃度的工業微藻多維度表觀遺傳調控動態圖譜，系統解析了微擬球藻從高CO2(5%)向低CO2(0.01%)環境轉變過程中的表觀遺傳動態，進而通過遺傳工程的驗證，揭示了H3K4組蛋白修飾在低碳適應中的重要貢獻與調控機制(圖1)，為提升工業產油微藻碳固定效率提供了全新的改造策略與靶點。
圖1 多維表觀基因組分析揭示H3K4組蛋白修飾調控微擬球藻適應低CO2的過程
首先，研究團隊通過構建多層次表觀基因組圖譜，并結合轉錄組數據進行高碳與低碳下的差異分析，研究發現微擬球藻的全基因組甲基化水平僅為0.13%，且低碳條件下無顯著變化；激活型組蛋白修飾(H3K4me2、H3K9ac、H3K27ac和Kcr)與43.1%的差異表達基因顯著相關，這些基因富集于核糖體的生物合成、光合作用、基因表達等核心代謝通路；低碳條件下染色體局部區室轉換與基因表達變化顯著相關，且H3K4me2修飾可能通過介導染色質開放狀態調控靶基因轉錄。
研究團隊采用CRISPR-Cas9基因編輯技術敲除了H3K4甲基轉移酶基因NO24G02310，發現H3K4me1在全基因組水平的豐度顯著降低，H3K4me2發生全基因組范圍的定位偏移，突變株的生長速率下降約22%，生物量積累量降低約15%，表明H3K4修飾在微擬球藻低碳適應過程中具有關鍵調控作用。對NoHINT與NoPMA2基因的敲除及過表達實驗發現，H3K4修飾可能通過調控特定酶的互作網絡及改變葉綠體跨膜pH梯度，參與微擬球藻低碳適應。
該研究共構建73個表觀基因組數據集，生成總量達504 Gb的高質量數據，系統揭示了微擬球藻在低碳環境下的表觀遺傳重編程過程，并鎖定了一批具有潛力的基因改造靶點，為通過基因編輯優化微藻碳固定效率、推動生物能源開發及高附加值產物產業化提供了堅實的數據支撐。與此同時，研究闡明了微藻依靠表觀遺傳重編程實現快速低碳適應的分子機制，有助于深刻理解真核微藻在海洋碳循環中的作用機制，為預測海洋生態系統在氣候變化背景下的響應，以及人工碳匯工程的設計與應用奠定了重要的理論基礎。研究所有數據已通過NCBI和NanDeSyn數據庫(https://nandesyn.single-cell.cn)向全球科研界開放共享，助力光合生物表觀遺傳學研究的持續發展。
上述研究成果近期發表于《植物通訊》(Plant Communications)，由單細胞中心徐健研究員和孫魯陽研究員主持完成，海南師范大學魏力副教授和海南大學辛一研究員亦參與了本研究。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的支持。
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