短期铁限制条件下假微型海链藻细胞氧化应激及程序性死亡机制研究

【摘要】海洋硅藻是一类起源于1.8亿年前的二次共生的光合自养单细胞藻类,它广泛分布于世界各海区,是海洋中最主要的初级生产者之一,在全球固碳作用中有着极其重要的作用。而铁是海洋初级生产力的主要限制元素,在高营养盐低叶绿素海区(HNLC)施铁实验后爆发的浮游植物中,硅藻占据70%的比例,表明硅藻能耐受铁限制的环境,并能在获取铁后迅速生长。但是硅藻对铁的耐受性因种类的差异而差别,已有大量证据表明羽纹纲硅藻对铁具有独特的吸收和存储机制,而中心纲硅藻较羽纹纲硅藻具有较低的低铁耐受性,且相关的低铁响应机制仍知之不多。本研究采用显微观察、生理测定、细胞切片、以及多种生化染色法分别研究了铁限制下海洋硅藻中心纲假微型海链藻(Thalassiosirapseudonana)细胞氧化应激反应和程序性死亡(PCD)诱发的生理特征。通过iTRAQLC-MS/MS蛋白定量分析获得上述铁限制诱导下藻细胞全蛋白组的表达信息,分析了铁限制的藻细胞(第4天)与正常藻细胞在全细胞蛋白质表达水平上的差异及其差异蛋白的功能与调控,探讨了藻细胞对短期缺铁的响应机制,并与ROS活性检测、磷脂酰丝氨酸外翻和死亡细胞数量检测等生理结果相印证。综合生理特征与蛋白质组学结果获得了铁胁迫下假微型海链藻氧化应激以及细胞程序化死亡在蛋白质组水平上的基础特性及其生态学意义。主要结果如下：1)假微型海链藻细胞在铁限制时细胞的生长受到抑制,光合系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)也显降低,细胞内ROS活性增加。同时,部分细胞表现出典型的程序性死亡现象：磷脂酰丝氨酸外翻,Caspase活性增加,细胞核固缩,细胞器溶解、消失,空泡化,细胞膜结构完整等。2)通过假微型海链藻细胞进行体内检测发现,第4d时,铁限制条件下假微型海链藻细胞ROS比率、磷脂酰丝氨酸外翻比率和Caspase活力均显著升高,而细胞死亡率则并未表现出差异。结合生理和形态结果,我们推测第4d细胞发生了由氧化应激导致的程序性死亡过程。对此时间点的蛋白组质学研究,获得了127个符合差异表达要求的蛋白。根据COG功能归类,这些差异表达蛋白主要与“翻译、翻译后修饰,蛋白质折叠,伴侣(Posttranslationalmodification,proteinturnover,chaperones)”,能量产生和转换(Energyproductionandconversion)”,“核糖体结构和生物合成(Translation,ribosomalstructureandbiogenesis)”,以及“氨基酸转运和代谢(Aminoacidtransportandmetabolism)”相关。3)蛋白质组学结果的进一步分析表明：铁限制引起了光合作用系统中光捕获蛋白表达和放氧复合体的上调,及非循环电子传递链中的蛋白受抑制,导致电子在电子传递链中积累,然后与O2结合产生ROS；同时,呼吸链中复合体Ⅱ和复合体Ⅳ相关蛋白的抑制也导致了未能准确传递的电子与O2结合,产生ROS。4)假微型海链藻细胞中产生的过量ROS将导致部分细胞发生程序性死亡。同时细胞内的相关抗氧化蛋白,抑凋亡因子与促凋亡因子蛋白间的表达平衡,决定了细胞的生存与死亡。5)铁不足将导致假微型海链藻细胞对氮的利用受到抑制,细胞通过氨基转换和尿素循环等方式重新利用氮素。藻细胞还通过下调非必需的含铁蛋白以及上调急需的非含铁蛋白或用不含铁的同工蛋白取代相应需铁蛋白,来直接应对铁的限制。6)综合上述结果表明,假微型海链藻细胞中存在3种策略来应对铁限制：首先,通过铁限制引发的PCD减少种群数量,使存活的细胞能够有效地利用水体中有限的铁元素；其次,铁限制引起的细胞内氮代谢和铁代谢的调整,保证了细胞的最基本的生存需求；最后,抗氧化和抗PCD蛋白质的增加表达,确保了剩余细胞的存活。
【作者】罗春墡；
【导师】梁君荣；
【作者基本信息】厦门大学，水生生物学，2014，硕士
【关键词】假微型海链藻；程序性死亡；氧化应激；蛋白质组；铁限制；

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