海帶(Saccharina japonica)碘代謝對(duì)海水溫度升高和酸化的應(yīng)答與調(diào)控機(jī)制.pdf

1、海帶是一種重要的大型海洋經(jīng)濟(jì)藻類，具有富集碘元素的生物學(xué)特性，是生物界中重要的碘存儲(chǔ)器之一，其吸收、儲(chǔ)存與釋放過(guò)程是碘生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。海帶中碘積累的主要形態(tài)是碘化物，它參與藻體的免疫反應(yīng)，可以有效清除體內(nèi)的活性氧（ROS），所以，海帶中的碘是一種非常有效的無(wú)機(jī)抗氧化劑。在逆境條件的刺激下，藻體中的碘會(huì)釋放，在海帶葉片表面以及質(zhì)外體，碘化物可以和體內(nèi)產(chǎn)生的氧化劑或者空氣中的臭氧反應(yīng)，從而導(dǎo)致大量的分子碘釋放到體表。分子碘隨

2、后會(huì)被臭氧 O3氧化成高吸濕性的碘氧化物，逐步形成云凝集核，從而影響 O3的含量。由此可見(jiàn)，海帶對(duì)碘元素的生物地球化學(xué)循環(huán)起到不可或缺的作用。另外，在海帶的碘代謝過(guò)程中有一種關(guān)鍵酶—釩依賴型鹵代過(guò)氧化物酶(vanadium-dependent haloperoxidase，vHPOs)，在催化鹵素離子與過(guò)氧化氫反應(yīng)生成鹵素的氧化形態(tài)的過(guò)程中發(fā)揮著重要的催化作用。此外， vHPOs還可能參與調(diào)控海帶游孢子體和配子體附著發(fā)育及細(xì)胞壁增厚機(jī)制

3、。因此，研究海帶中的碘代謝機(jī)制具有一定的可行性和較高的研究?jī)r(jià)值。
　　受人類活動(dòng)與全球氣候變化的雙重影響，大氣中二氧化碳（CO2）排放量持續(xù)增加，造成溫室效應(yīng)，引起了全球變暖。海洋作為一個(gè)天然的CO2儲(chǔ)存庫(kù)，吸收了人類排放CO2總量的約30％，又引起海洋酸化現(xiàn)象。海洋系統(tǒng)在碘元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中是重要的組成部分，而海帶作為海洋中重要的碘儲(chǔ)存器，全球氣候變化所引起的海洋酸化及溫度升高可能會(huì)影響海帶中碘元素的含量，從而影響人類食用

4、碘的含量。另外，低潮狀態(tài)下的海帶會(huì)將碘釋放到空氣中，而我國(guó)又是世界上海帶栽培面積和養(yǎng)殖產(chǎn)量最大的國(guó)家，主要養(yǎng)殖品種為日本真海帶（Saccharina japonica），由海洋酸化引起的海帶中碘含量的改變會(huì)影響碘的生物地球化學(xué)循環(huán)。由于海帶中碘含量隨氣候變化會(huì)對(duì)人類健康及碘的生物地球化學(xué)循環(huán)兩方面均有重要影響，本研究從實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)兩方面探究海帶（S. japonica）中碘代謝對(duì)氣候變化的應(yīng)答與調(diào)控機(jī)制。首先，我們通過(guò)設(shè)置不同

5、的溫度及酸化梯度，探究海帶（S. japonica）對(duì)海水溫度升高和酸化的應(yīng)答；其次，我們對(duì)海帶中碘的抗氧化機(jī)制進(jìn)行了研究；最后由于 vHPOs在海帶碘代謝中重要的催化作用，我們?cè)诤В⊿. japonica）全基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的vHPOs基因家族進(jìn)行鑒定和結(jié)構(gòu)功能分析。本文的主要研究結(jié)果如下：
　　1）采用單因子實(shí)驗(yàn)，分別研究溫度和酸化誘導(dǎo)對(duì)海帶碘代謝的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度變化和酸化誘導(dǎo)均對(duì)海帶中碘含量有顯著影響，

6、在實(shí)驗(yàn)溫度5℃，10℃，15℃，20℃，23℃范圍內(nèi)，海帶中碘含量呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，在15℃取得最大值；酸化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在海水pCO2（二氧化碳分壓）（400μatm，700μatm，1000μatm，1500μatm，2000μatm）范圍內(nèi)，海帶中碘含量也呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，在1000μatm取得最大值，且酸化培養(yǎng)對(duì)海帶碘吸收具有促進(jìn)作用。此外，15℃和20℃與酸化耦合在一定程度上對(duì)海帶中的碘含量具有促進(jìn)作用。在海區(qū)中

7、開(kāi)展的中試酸化實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了海洋酸化條件下海帶的個(gè)體大小以及總碘含量明顯高于正常條件下的海帶，但總體上隨著海帶的生長(zhǎng)其碘含量逐漸下降。另外，本研究通過(guò)對(duì)海帶中無(wú)機(jī)形態(tài)碘的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，碘離子的變化趨勢(shì)與總碘的變化趨勢(shì)一致，而碘酸根離子不在檢測(cè)限度內(nèi)。最后，通過(guò)在海帶的培養(yǎng)體系中添加100μg/mL的低聚古羅糖醛酸，發(fā)現(xiàn)在3h時(shí)海帶中碘釋放速率達(dá)到最大。結(jié)果顯示當(dāng)海帶在氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，體內(nèi)碘離子大量釋放與活性氧反應(yīng)來(lái)消除活性氧，起到了抗氧化作用

8、。
　　2）通過(guò)生物信息學(xué)方法在S. japonica基因組中檢索鑒定出75個(gè)vHPO基因，其中58個(gè)釩依賴型碘過(guò)氧化物酶（vanadium-dependent iodoperoxidase, vIPO），17個(gè)釩依賴型溴過(guò)氧化物酶（vanadium-dependent bromoperoxidase, vBPO）。通過(guò)與其他真核和原核生物的vHPOs全長(zhǎng)蛋白質(zhì)序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，發(fā)現(xiàn)所有的vHPOs蛋白質(zhì)被分為三個(gè)不同的亞家族：

9、釩依賴型氯過(guò)氧化物酶（vanadium-dependent chloroperoxidase, vCPO）、vBPOs和vIPOs。通過(guò)進(jìn)一步分析進(jìn)化樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)海洋藻類中的vHPO起源于真菌的vCPO，其中vBPO在紅藻和褐藻中獨(dú)立進(jìn)化，海帶中vIPO由褐藻中的vBPO祖先進(jìn)化而來(lái)。
　　3）通過(guò)對(duì)海帶（S. japonica）雌雄配子體、小孢子體及成熟孢子體不同部位的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，vHPOs在海帶不同世代及組織中具有明

10、顯的表達(dá)特異性。在海帶不同世代中，雌、雄配子體中表達(dá)的vHPO的數(shù)目最多，其次是小孢子體世代，最后是成熟孢子體。在成熟孢子體的不同組織中，梢部和根莖表達(dá)的vHPO數(shù)目最多。另外，為了從分子生物學(xué)水平上揭示脅迫條件下vHPOs基因表達(dá)量的變化，我們對(duì)高溫及CO2充氣培養(yǎng)3h下S. japonica的熒光定量PCR結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)高溫及CO2充氣培養(yǎng)條件下各有8個(gè)vHPO基因表達(dá)量明顯增加，推測(cè)這些基因在高溫及酸化脅迫條件下的海帶碘的吸收中發(fā)揮