沙漠綠藻（Chlorella ohadii）具有頑強的生命力，其對于極端光照的脅迫響應表現令人驚訝，這也提示了人們對于光合機制如何運作及功能上限的理解仍舊不足。來自德國馬克思·普朗克研究所、耶路撒冷希伯來大學、馬堡大學、弗萊堡大學以及德國IPK研究所的科研人員進行了深入探討，并于2020年7月在《Nature plants》上發(fā)表了題為“Multi-omics reveals mechanisms of total resistance to extreme illumination of a desert alga”的論文。該研究結合多個組學分析數據，系統(tǒng)討論了沙漠綠藻在極端光照下的系統(tǒng)變化，進一步了解其在極端光照下的光合和生長響應機制。

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實驗設計

實驗材料：小球藻

實驗分組：

不同光照處理：LL（100 μmol photons?m?2s?1），EIL（3000 μmol photons?m?2s?1），LL→EIL（18.5 h LL處理后轉為EIL處理），連續(xù)EIL（EIL處理18.5 h）

技術路線：

步驟1：表型確認，篩選取樣點

步驟2：轉錄組、代謝組及脂質組分析

步驟3：氧化還原蛋白質組分析

步驟4：多組學聯合討論響應機制

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實驗結果：

1. 表型分析與取樣點的選擇

在強光照處理下，小球藻的細胞生長速率發(fā)生了變化：在連續(xù)EIL條件下，小球藻的細胞生長速度比LL條件下快得多。在LL→EIL處理組，生長速率的趨勢類似于在連續(xù)EIL處理8到20 h之間的情況，比在LL更快。此外，O2水平和pH值的檢測結果顯示，EIL處理比LL處理具有更快的能量消耗和/或氧化NADPH的能力。

在綜合考慮了小球藻細胞周期短，適應非生物刺激速度較快，以及響應時間會隨細胞功能的不同而變化三方面因素后，研究人員對取樣時間點進行了選擇：

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1）RNA測序（RNA-seq）：LL、t15EIL（EIL處理15 min）和t120EIL（EIL處理120 min）。

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2）氧化還原蛋白質組：LL、t3EIL（EIL處理3 min）。

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3）代謝組和脂質組：LL、t120EIL。

此外，研究人員將EIL處理18.5 h（連續(xù)EIL）作為參照點，也進行了取樣。

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2. 轉錄組、代謝組和脂質組的系統(tǒng)變化

本次分析共定量了11047個核編碼、108個葉綠體編碼和37個線粒體編碼的轉錄本，101種極性代謝物和147種脂類。每個功能級別的整體響應使用主成分分析（PCA）進行了解析。

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這些PCA分析顯示，取樣點的裝填可以呈現轉移到EIL后的瞬時變化，轉錄水平比代謝或脂質水平更快發(fā)生變化。轉錄GO富集分析結果顯示，在暴露于EIL后不久和在持續(xù)EIL下都有DNA損傷。而代謝組數據顯示，連續(xù)EIL與其他處理的差異是由幾個脅迫相關代謝物驅動的；t120EIL的差異是由幾種糖酵解和三羧酸循環(huán)中間產物驅動的，表明轉移到EIL后小球藻的代謝活性增加。

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3. 氧化還原蛋白質組分析響應機制

在EIL條件下，小球藻的光合作用和生長快速變化，且沒有對其產生負面影響，這意味著小球藻可能對氧化還原狀態(tài)可以快速感知和調節(jié)。因此，研究人員進行了氧化還原蛋白質組的分析，總共鑒定出1061個蛋白質，其中有181個顯著差異蛋白。值得注意的是，154個蛋白在t3EIL表現出顯著的改變，這強調了翻譯后修飾在早期響應EIL中的重要性。

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GO分析顯示，差異在磷酸轉氨酶/激酶活性相關蛋白，翻譯，氧化/還原和脂代謝中顯著富集。研究人員比較了C. ohadii和C. reinhardti在根據真核生物同源類群分類定義的不同蛋白類中的半胱氨酸豐度(擴展數據圖3c)。C. ohadii在許多蛋白質類中顯示出較高的半胱氨酸豐度，包括那些與核結構、DNA復制和修復、RNA加工和修飾相關的蛋白質，翻譯、氨基酸代謝與運輸、能量生產與轉換及脂類代謝。這意味著，在C. ohadii的氧化還原調節(jié)的潛力甚至更廣泛由我們目前的蛋白質組分析揭示。

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4. 轉錄組預測應激反應和C分配模式

研究人員隨后對轉錄數據進行GO分析，結果顯示，在所有時間點，上調基因在谷胱甘肽分解代謝過程、肽分解代謝過程和硫化合物分解代謝過程等功能條目中富集。這表明谷胱甘肽化在防止小球藻蛋白半胱氨酸不可逆氧化中的重要性。研究人員還著重關注了C分配相關的差異轉錄本相關的GO條目。在t15EIL為固碳相關轉錄本過度表達，t120EIL為淀粉生物合成過程和麥芽糖代謝過程，而在t120EIL和連續(xù)EIL處理下為脂肪酸生物合成過程。相關差異表達基因進一步分析顯示，在t15EIL處理中的脂肪酸合成和飽和過程，在t120EIL和連續(xù)EIL條件下切換為的超長鏈脂肪酸的延伸和飽和。這些轉錄反應伴隨著t120EIL時淀粉含量的大幅上升，在連續(xù)EIL下，淀粉含量和脂質積累更高。

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5. 呼吸和應激代謝產物的廣泛變化

研究人員通過對比t120EIL、連續(xù)EIL以及LL處理的代謝物水平，獲得了82個顯著差異的代謝物，并通過聚類分析分為5個cluster。大多數代謝物在t120EIL和連續(xù)EIL下表現出相反的反應。屬于cluster a和cluster b中的代謝物水平在t120EIL組上升，在連續(xù)EIL時下降。這些代謝物包括：糖類、呼吸中間體、主要氨基酸、甘油和甘油-3-磷酸。這可能反映了t120EIL的代謝活動增加，以及連續(xù)EIL下淀粉和脂質的積累。t120EIL和連續(xù)EIL相比，淀粉/蔗糖比提高了約14倍，麥芽糖含量顯著提高。這兩階段的反應概括了C分配相關基因的轉錄組響應變化。

在cluster d中的代謝物水平在LL和t120EIL下降，而在連續(xù)EIL下增加。這個cluster包括與脅迫、光呼吸和NH4同化的相關代謝物以及天門冬酰胺和丙氨酸。

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與LL相比，在t120EIL時，cluster d的代謝物在連續(xù)EIL下進一步增加。cluster e中的一個亞簇在t120EIL和連續(xù)EIL處理下均比在LL水平降低。這兩種反應可能反映了與LL相比，EIL下固定C的普遍可用性更高，以及處理過量氧化還原的需要。

6. CO2濃縮機制(CCM)的相關變化

根據前面的實驗數據，t120EIL時CCM被誘導和光呼吸降低，而連續(xù)EIL時CCM受損和光呼吸升高。為了進一步證明這一點，研究人員分析了代謝和轉錄數據。

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與LL相比，連續(xù)EIL和t120EIL組的乙醇酸含量較高。絲氨酸水平的變化與乙醇酸類似，而甘氨酸水平變化則相反，表明在連續(xù)EIL下光呼吸升高。與LL相比，在t15EIL時，光呼吸途徑檢測到的所有轉錄本都增加了，在t120EIL時降低了，而在連續(xù)EIL時則升高了。

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對其他藻類的研究表明，CCM所需的基因通常是由低Ci誘導的。與LL相比，t15EIL和t120EIL組的許多CMM相關基因的轉錄豐度顯著增加。有趣的是，在連續(xù)EIL處理下，CCM相關轉錄豐度很高，這表明在連續(xù)EIL下取消Ci親和力不是由于CCM的抑制。

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7. 轉錄、代謝產物和脂質反應相互作用

為更系統(tǒng)地整合轉錄組、極性代謝物和脂質數據集，研究人員使用方差分析對LL、t120EIL和連續(xù)EIL數據集擬合線性模型。轉錄本、極性代謝物和脂質數據在LL和t120EIL下表現出類似的反應。極性代謝物的連續(xù)EIL反應更強，結果顯示處理之間的距離最大。

本研究利用轉錄組、蛋白質組、代謝組以及脂質組的多維度數據，建立了一個多層數據集。將多組學分析與生長、光合作用和呼吸、NADPH水平、總蛋白和細胞形態(tài)的測量數據相結合，系統(tǒng)研究了光合細胞對極端光照的反應。小球藻可以利用突然產生的過剩還原力和碳，來進行生長和物質儲備，而翻譯后氧化還原調節(jié)在這種快速反應過程中起著至關重要的作用。