●宋汶軒 王振東 李亞堃 羅智慧 蔡春雨 陳 卓

（山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250358）

硅藻是一類單細(xì)胞光合自養(yǎng)的真核生物，起源于次級內(nèi)共生過程，屬于Stramenopile譜系，絕大多數(shù)硅藻可以進(jìn)行光合放氧作用[1-3]。硅藻的顯著特征之一是具有硅質(zhì)化的細(xì)胞壁，其主要成分由不定形二氧化硅組成。不同硅藻硅質(zhì)化細(xì)胞壁紋理和形態(tài)各不相同，早期用于硅藻的分類研究[4]。硅藻種類繁多，幾乎在所有水生棲息地包括淡水、海水及潮濕的土壤中均有發(fā)現(xiàn)。據(jù)估計(jì)，硅藻貢獻(xiàn)了大約50%的海洋初級生產(chǎn)力和25%的全球初級生產(chǎn)力，并參與全球生物地球化學(xué)循環(huán)[5-6]。硅藻在實(shí)際生產(chǎn)中也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，包括生物醫(yī)藥和生物能源等方面[7]。其中，生物醫(yī)藥方面，硅藻富含多不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素、多糖、維生素和甾醇等活性物質(zhì)[8]，目前已經(jīng)被用于疫苗及其佐劑和抗體合成等醫(yī)藥分子的開發(fā)[9]。生物能源方面，硅藻細(xì)胞積累的中性脂可以提取后轉(zhuǎn)化為生物柴油等[10]。

迄今為止，硅藻已有多個(gè)物種完成了基因組測序。早在2004年和2008年，即應(yīng)用第一代測序技術(shù)，分別完成了中心綱偽矮海鏈藻（Thalassiosira pseudonana）[1]和羽紋綱三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）[2]的基因組測序。目前，硅藻基因組測序主要借助第二代測序技術(shù)，完成了具有異源二倍體基因組結(jié)構(gòu)的Fistulifera solaris[11]、具有高度雜合基因組的冷適應(yīng)圓柱擬脆桿藻（Fragilariopsis cylindrus）[12]、具有較大基因組的硅藻Thalassiosira oceanica[13]和Fragilaria radians[14]等的基因組測序。研究發(fā)現(xiàn)硅藻具有“嵌合式基因組”的特點(diǎn)，顯示它們經(jīng)歷了復(fù)雜的進(jìn)化歷程[1-2]。

硅藻基因組學(xué)的研究推動了其在生態(tài)、進(jìn)化、環(huán)境適應(yīng)及生產(chǎn)應(yīng)用等方面的科研成果。本文主要概述硅藻結(jié)構(gòu)基因組學(xué)及功能基因組學(xué)等相關(guān)研究進(jìn)展。

1 硅藻結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究

硅藻基因組的全面分析揭示了其來自藻類和異養(yǎng)祖先的內(nèi)共生起源，以及來自細(xì)菌等其他物種的水平基因轉(zhuǎn)移等重要的生物學(xué)過程。此外，硅藻的嵌合式基因組還受到表觀遺傳等過程的影響[4]。硅藻結(jié)構(gòu)基因組主要包括染色體基因組、質(zhì)體基因組及線粒體基因組。

1.1 染色體基因組研究

偽矮海鏈藻是第一個(gè)完成基因組測序的硅藻。Armbrust等[1]報(bào)告了該藻株34 Mb堿基對的核基因組草圖，及其129 kb 堿基對質(zhì)體基因組和4·4 kb 堿基對線粒體基因組。偽矮海鏈藻核基因組包含24個(gè)二倍體核染色體。測序結(jié)果鑒定了一系列基因，包括硅酸轉(zhuǎn)運(yùn)和硅質(zhì)化細(xì)胞壁的形成基因、高親和力鐵吸收基因和一些多不飽和脂肪酸的生物合成酶基因，以及完整的尿素循環(huán)基因等。

三角褐指藻基因組測序分析揭示了硅藻中基因的多樣化來源。該模式硅藻中包含數(shù)百個(gè)來自細(xì)菌的基因，它們可能借助基因水平轉(zhuǎn)移獲得，并在硅藻感知環(huán)境信號方面發(fā)揮作用。此外，該研究重點(diǎn)探討了三角褐指藻營養(yǎng)代謝機(jī)制，尤其是細(xì)胞中的尿素循環(huán)。研究人員利用RNA干擾沉默了細(xì)胞中尿素循環(huán)的關(guān)鍵酶，發(fā)現(xiàn)尿素循環(huán)是維持硅藻碳氮平衡的重要原因[2]。Rastogi等[15]在不同空間和時(shí)間尺度上進(jìn)行三角褐指藻采樣，然后借助全基因組重測序繪制了該模式藻種內(nèi)基因組多樣性的圖譜。該藻株至少存在10個(gè)不同的生態(tài)型藻株，它們分為四個(gè)遺傳進(jìn)化分枝，并在形態(tài)比例、油脂含量及環(huán)境適應(yīng)性等方面存在差異。同時(shí)，無性繁殖在所有三角褐指藻種群中占主導(dǎo)地位。此外，這些生態(tài)型藻株展現(xiàn)了遺傳和功能的趨同特征，導(dǎo)致很多基因和代謝途徑的選擇壓力發(fā)生變化。該發(fā)現(xiàn)對理解自然界中硅藻種群的遺傳結(jié)構(gòu)具有重要意義，并為后續(xù)開發(fā)此藻株功能基因組學(xué)研究以及生物技術(shù)的應(yīng)用等提供了寶貴的資源。

海洋硅藻T. oceanica顯示出對低鐵條件的顯著耐受性。借助基因組、轉(zhuǎn)錄組及蛋白組等組學(xué)的聯(lián)合分析，揭示了T. oceanica進(jìn)化出多種復(fù)雜的策略來吸收利用鐵。比如，細(xì)胞通過降低鐵的需求、提高鐵的吸收及重塑生物能量的通路等適應(yīng)低鐵環(huán)境。該藻株還可以借助光能利用的重塑和整體光合電子轉(zhuǎn)移復(fù)合體的減少應(yīng)對鐵缺乏。此外，鐵調(diào)節(jié)三種含金屬的二磷酸果糖醛縮酶取代不含金屬的酶系參與碳水化合物代謝轉(zhuǎn)化。該研究鑒定了高親和力的鐵吸收系統(tǒng)，推測該系統(tǒng)中一些基因是由于復(fù)制事件產(chǎn)生。此外，T. oceanica基因組高度可塑性還反應(yīng)在存在很多基因水平轉(zhuǎn)移事件上。以上策略為硅藻T. oceanica適應(yīng)低鐵環(huán)境提供了前提[13]。

產(chǎn)油硅藻F. solarisJPCC DA0580基因組分析數(shù)據(jù)提供了異源二倍體基因組結(jié)構(gòu)的證據(jù)，顯示出該藻株特殊的分子進(jìn)化過程和遺傳調(diào)控系統(tǒng)。F. solaris主要代謝途徑與非產(chǎn)油硅藻相同，但轉(zhuǎn)錄組分析揭示了油脂合成中一些基因獨(dú)特的表達(dá)模式變化，如伴隨ATP的產(chǎn)生，細(xì)胞會同步上調(diào)脂肪酸/三?；视蜕锏暮铣珊椭舅岬摩?氧化降解。這種特殊的基因表達(dá)模式可能同時(shí)刺激了細(xì)胞的生長和油脂的積累，因此，這種新型的產(chǎn)油微藻將來有望應(yīng)用于生產(chǎn)生物能源[11]。

Galachyants等[14]應(yīng)用高通量測序方法確定了從貝加爾湖中分離出的F. radians（早先命名為Synedra acussubsp·）的完整基因組序列，組裝后的基因組總長度為98 Mb，平均覆蓋率為33 x。隨后，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)包含27 446個(gè)轉(zhuǎn)錄本，可能編碼21 996個(gè)預(yù)測蛋白質(zhì)。借助測序組裝和注釋與定量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，鑒定到指數(shù)生長期和暗適應(yīng)細(xì)胞培養(yǎng)物之間的差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄物，以及在暗適應(yīng)下細(xì)胞對光處理的早期響應(yīng)時(shí)基因的表達(dá)水平變化。F. radians基因組和轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果為解析該物種適應(yīng)環(huán)境的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了研究基礎(chǔ)[17]。

海洋硅藻Cyclotella cryptica是一種可用于大規(guī)模生產(chǎn)生物燃料和生物產(chǎn)品的微藻。對此種硅藻核基因組和甲基化組進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)基因組由高度甲基化的重復(fù)序列組成。在硅饑餓條件下甲基化水平不會發(fā)生顯著變化，進(jìn)一步分析表明DNA甲基化的主要作用是抑制DNA轉(zhuǎn)座。糖酵解、脂質(zhì)代謝和碳水化合物降解等過程有助于促使C. cryptica積累三酰基甘油。該研究還鑒定了參與碳轉(zhuǎn)運(yùn)和幾丁質(zhì)代謝等基因，同時(shí)還開發(fā)了新的遺傳操作工具，為遺傳改造該物種并應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)生物燃料等提供便利[18]。

4.進(jìn)一步放大我省水稻水產(chǎn)“兩水”資源優(yōu)勢，大力發(fā)展稻漁綜合種養(yǎng)，全省大面積推廣“雙水雙綠”技術(shù)規(guī)范，利用國家財(cái)政政策性支持資金大面積改造適宜稻田，鼓勵農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)流轉(zhuǎn)拋荒的稻田，大面積示范“雙水雙綠”技術(shù)，建立公司+農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)合作社模式，打造綠色水稻、綠色水產(chǎn)的新模式。

寒冷適應(yīng)型硅藻（F. cylindrus）基因組測序顯示其總基因組大小為 61·1 Mb。作為二倍體生物，研究人員發(fā)現(xiàn)F. cylindrus基因組中大約24·7%的基因組由具有高度不同的等位基因位點(diǎn)組成。細(xì)胞中很多此類等位基因在不同環(huán)境條件下，包括黑暗、低鐵、冷凍、高溫和二氧化碳增加，存在差異表達(dá)。該項(xiàng)研究為開展硅藻響應(yīng)及適應(yīng)逆境（尤其是低溫環(huán)境）的分子機(jī)制提供了借鑒[12]。

Basu等[19]研究了海洋浮游硅藻Pseudonitzschia multistriata細(xì)胞有性生殖過程，該過程對種群會產(chǎn)生動態(tài)的影響并且需要精確的調(diào)控。對P. multistriata基因組測序，系統(tǒng)基因組學(xué)及轉(zhuǎn)錄組學(xué)的分析，研究了基因獲得及丟失、水平基因轉(zhuǎn)移、性相關(guān)基因的保存及其進(jìn)化速率。研究發(fā)現(xiàn)G蛋白偶聯(lián)受體和環(huán)磷酸鳥苷與對有性生殖過程相關(guān)，它們可調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、減數(shù)分裂相關(guān)和營養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)等基因。P. multistriata細(xì)胞周期和基因組研究可以重建硅藻在其生命周期關(guān)鍵階段發(fā)生的變化，為探究基因的進(jìn)化和其功能的鑒定提供線索，并為有性生殖的研究提供支持。

Ogura等[20]對日本海域主要的赤潮藻Skeletonema costatum進(jìn)行了基因組及RNA測序的分析。進(jìn)化基因組學(xué)和比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究結(jié)果揭示了氧化脅迫及細(xì)胞分裂素應(yīng)激響應(yīng)的基因是該硅藻增殖的關(guān)鍵。研究結(jié)果同時(shí)表明S.costatum參與氧化應(yīng)激和細(xì)胞分裂素反應(yīng)相關(guān)的基因?yàn)槎嗫截悾l(fā)赤潮時(shí)此類基因的表達(dá)增強(qiáng)。

Sato等[21]借助超微結(jié)構(gòu)和分子信息來重新分類硅藻Plagiostriatasp· CCMP470（之前被注釋為Leptocylindrus danicus），同時(shí)還提供了該藻株的基因組草圖。在Plagiostriata基因組中發(fā)現(xiàn)270個(gè)結(jié)構(gòu)域家族數(shù)據(jù)庫（19%）在其他硅藻基因組中是未知的。值得注意的是，Plagiostriata的DNA文庫還包含一種α-變形菌的基因組。該研究對已經(jīng)發(fā)表的藻類基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了共生的α-變形菌序列，這表明藻類及α-變形菌可能存在廣泛的共存關(guān)系。

海洋生物膜形成硅藻Seminavis robusta基因組分析結(jié)果表明，基因家族擴(kuò)展占該物種所有預(yù)測蛋白質(zhì)編碼基因（36254）的1/4。串聯(lián)重復(fù)事件在擴(kuò)展特定基因功能（包括光和氧感應(yīng)）方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這可能是S. robusta適應(yīng)底棲環(huán)境的關(guān)鍵原因之一。該物種與細(xì)菌相互作用差異表達(dá)的基因在其他底棲硅藻中高度保守，而許多物種特異性基因在有性生殖階段顯著上調(diào)。同時(shí)，來自48個(gè)株系的重新測序數(shù)據(jù)分析為底棲硅藻的遺傳多樣性和基因功能的提供了見解[22]。

非光合硅藻Nitzschia Nitz4基因組測序分析了碳代謝在異養(yǎng)型硅藻中營養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變。分析結(jié)果顯示，該硅藻整個(gè)細(xì)胞范圍都進(jìn)行了異養(yǎng)型轉(zhuǎn)變。N. Nitz4細(xì)胞保留了質(zhì)體及質(zhì)體基因組，但是細(xì)胞核和質(zhì)體基因組中光合作用相關(guān)基因的丟失。硅藻質(zhì)體中不合成類異戊二烯，線粒體糖酵解發(fā)生重塑，以便于最大限度地提高ATP產(chǎn)量。N.Nitz4基因組包含一個(gè)β-己二酸酮途徑，該途徑可能允許N. Nitz4能夠代謝木質(zhì)素衍生化合物。該硅藻質(zhì)體缺乏氧化磷酸戊糖途徑，使得非光合質(zhì)體中NADPH的來源受到限制。該基因組研究揭示了非光合硅藻和頂復(fù)門原蟲之間在質(zhì)體中提供NADPH的相似性，并強(qiáng)調(diào)了質(zhì)體氧化磷酸戊糖途的缺失是導(dǎo)致光合作用喪失潛在的重要因素[23]。

全基因組復(fù)制事件與物種形成、增加譜系多樣化有關(guān)，并被確定為被子植物進(jìn)化的主要驅(qū)動力。Parks等首次使用基因計(jì)數(shù)、基因進(jìn)化樹和同義分歧分布對 37 種不同的硅藻物種進(jìn)行全基因組復(fù)制的系統(tǒng)發(fā)育分析，并搜集了大量證據(jù)表明多倍體在硅藻中可能很常見。研究結(jié)果支持在Thalassiosiroid和羽紋綱硅藻進(jìn)化分枝中存在古老的異源多倍體事件，并且異源多倍體作為多倍體形成的主要模式。該項(xiàng)研究證實(shí)了全基因組復(fù)制在硅藻基因組的進(jìn)化中發(fā)揮了重要作用[24]。

1.2 質(zhì)體基因組及線粒體基因組研究

藍(lán)藻是真核藻類及高等植物質(zhì)體的祖先。通過內(nèi)共生過程產(chǎn)生質(zhì)體是真核生命史上最重要的事件之一。在此過程中，藍(lán)藻與宿主真核生物在遺傳、生化和細(xì)胞等生物過程整合，為藻類在復(fù)雜水生環(huán)境中的適應(yīng)及進(jìn)化鋪平了道路。部分真核藻類，包括硅藻，進(jìn)化過程中質(zhì)體也發(fā)生多次內(nèi)共生事件[3]。

Moustafa等[25]早期研究發(fā)現(xiàn)硅藻核基因組中包含紅藻和綠藻基因，大約70%來自綠藻，并提出硅藻中可能隱藏著綠藻次級質(zhì)體的假設(shè)。對硅藻基因組進(jìn)行重新分析，結(jié)合紅藻基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中約13%水平基因轉(zhuǎn)移事件可以從藍(lán)藻到綠藻再到硅藻進(jìn)行追蹤，約66%ne內(nèi)共生基因轉(zhuǎn)移事件可以追溯到紅藻[26]。Morozov等[27]研究發(fā)現(xiàn)，硅藻核基因組中紅藻和綠藻水平基因轉(zhuǎn)移事件發(fā)生相對次數(shù)大致相等，這導(dǎo)致他們質(zhì)疑硅藻祖先中是否存在完全整合綠藻的衍生質(zhì)體。一些研究學(xué)者認(rèn)為硅藻綠藻來源的基因更有可能是在固定紅藻的衍生質(zhì)體之前涉及至少兩個(gè)不同的綠藻內(nèi)共生體。

菱形硅藻（Epithemia turgida）屬于Rhopalodiaceae家族的硅藻，其內(nèi)共生體為非光合藍(lán)細(xì)菌（即“球體”，簡稱EtSB）。完整基因組測序結(jié)果顯示，與該共生體的近親相比，EtSB基因組大小和基因庫有所減少。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)其基因組中存在大量的假基因，表明基因組仍在繼續(xù)減少過程中。此外，測序數(shù)據(jù)顯示EtSB已經(jīng)失去了光合作用的能力，并在代謝上依賴于其宿主細(xì)胞。因此，EtSB作為一個(gè)獨(dú)特內(nèi)共生體，可以用于研究藍(lán)細(xì)菌內(nèi)共生體整合到真核細(xì)胞中的過程[28]。

Nitzschia palea是一種常見的淡水硅藻，因其對受污染水道的耐受性而被用作生物指示劑。有證據(jù)表明它可能是“dinotom”甲藻（Durinskia baltica）內(nèi)的第三內(nèi)共生體。來自N. palea基因組DNA 被深度測序，并組裝了葉綠體和線粒體基因組。單基因系統(tǒng)發(fā)育將N. palea-Wise分組在一個(gè)明確定義的N. palea進(jìn)化枝中，并顯示它與株系“SpainA3”最密切相關(guān)。N. palea的葉綠體基因組為119 447 bp，具有135個(gè)蛋白質(zhì)編碼、28個(gè)tRNA和3個(gè)rRNA基因。線粒體基因組為37 754 bp，具有37個(gè)蛋白質(zhì)編碼、23個(gè)tRNA和2個(gè)rRNA 基因。N. palea和D. baltica的葉綠體基因組具有相同的基因含量、同線性和92·7%的成對序列相似性，并且大多數(shù)差異發(fā)生在基因間區(qū)域。N. palea線粒體基因組和D. baltica的內(nèi)共生線粒體基因組也具有相同的基因含量和順序，序列相似性為 90·7%。基于基因組的系統(tǒng)發(fā)育，表明D. baltica與N. palea比目前可用的任何其他硅藻序列更相似。這些數(shù)據(jù)表明它們與D.baltica的內(nèi)共生體非常相似[29]。

Górecka等[30]完成了Schizostauron trachyderma完整質(zhì)體和線粒體基因組的測序分析。該物種線粒體基因組大小為41 957 bp，并在cox1基因中顯示兩個(gè)II組內(nèi)含子。質(zhì)體基因組大小為187 029 bp，具有典型的硅藻質(zhì)體基因組結(jié)構(gòu)。它在petB基因中包含一個(gè)II類內(nèi)含子，該內(nèi)含子與大單拷貝和反向重復(fù)區(qū)域重疊。在rnl基因中還有一組IB4內(nèi)含子預(yù)測可以編碼LAGLIDADG歸巢核酸內(nèi)切酶。多基因的系統(tǒng)發(fā)育提供了更多證據(jù)表明S.trachyderma接近fistula-bearing的雙殼硅藻。

2 硅藻功能基因組學(xué)研究

2.1 多組學(xué)研究

基因組注釋結(jié)合轉(zhuǎn)錄本分析構(gòu)建了三角褐指藻（PtDB）和偽矮海鏈藻（TpDB）的結(jié)構(gòu)化EST數(shù)據(jù)庫。三角褐指藻中生成了超過12 000個(gè)表達(dá)序列標(biāo)簽（EST），對該物種基因進(jìn)行功能注釋，并創(chuàng)建可通過 Internet 訪問的可查詢硅藻EST數(shù)據(jù)庫[31]。早期報(bào)道涉及多種模式硅藻比如三角褐指藻和偽矮海鏈藻的轉(zhuǎn)錄組及蛋白組學(xué)等研究[32]。此外，研究人員還開展了包括代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)及糖組學(xué)等相關(guān)研究。

Popko等[33]分析了氮限制條件下PhaeodactylumPt4（UTEX 646）藻株脂質(zhì)組分的變化。數(shù)據(jù)顯示在氮耗殆盡時(shí)，中性脂質(zhì)增加，主要是16∶0和16∶1（n-7）在甘油三酯中積累。脂質(zhì)分子種類組成表明甘油三酯主要來自1，2-二?；视?O-4'-（N，N，N-三甲基）高絲氨酸的重塑，但不排除來自質(zhì)體單半乳糖基二?；视偷呢暙I(xiàn)。有趣的是，?；o酶A池富含的20∶5（n-3）和22∶6（n-3）脂肪酸幾乎不在甘油三酯中。此外，在氮饑餓下，最明顯消耗代謝物是氨基酸、溶血磷脂和三羧酸循環(huán)的中間體，而含硫代謝物以及肉堿增加。這些數(shù)據(jù)現(xiàn)在共同為改善三角褐指藻株P(guān)t4中脂質(zhì)的儲存和生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

通過整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組及蛋白修飾組等多組學(xué)數(shù)據(jù)，Yang等[34]構(gòu)建了三角褐指藻蛋白質(zhì)基因組精細(xì)圖譜。該研究校正了506個(gè)注釋的編碼基因和73個(gè)注釋基因的可變剪切位點(diǎn)。此外，研究鑒定了606個(gè)新的蛋白質(zhì)編碼基因，268個(gè)小肽及21個(gè)新的可變剪切體。同時(shí)，研究人員還在三角褐指藻細(xì)胞中鑒定了20多種不同種類的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，它們可能參與調(diào)控細(xì)胞逆境脅迫下的多種生物學(xué)過程。

Feij?o等[35]研究調(diào)查了溫度升高對三角褐指藻中脂質(zhì)類別和編碼與脂質(zhì)代謝相關(guān)酶的基因表達(dá)的影響。海洋溫度升高導(dǎo)致質(zhì)體脂質(zhì)相對量的增加，如糖脂單半乳糖基二酰基甘油、二半乳糖基二酰基甘油和硫代異鼠李糖基二?；视停瑫r(shí)中性脂質(zhì)減少，其中包括三?；视?。與脂質(zhì)含量增加一致的是，編碼單半乳糖基二酰基甘油合成酶基因的上調(diào)及甘油三酯合成中的關(guān)鍵酶二?；视王；D(zhuǎn)移酶的下調(diào)。研究還表明，海水溫度升高會對不飽和脂肪酸的豐度產(chǎn)生負(fù)面影響，例如二十碳五烯酸（20∶5 n-3）和十六碳三烯酸（16∶3 n-4），同時(shí)也誘導(dǎo)不同膜脂質(zhì)的相對量以及膜/儲存脂質(zhì)的比例發(fā)生變化。脂質(zhì)代謝關(guān)鍵基因的表達(dá)在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平受到調(diào)節(jié)。

Jin等[36]以三角褐指藻為材料，針對其在長期海洋酸化后進(jìn)行了脂質(zhì)組分析。該研究共鑒定長期高CO2（即海洋酸化條件）和低CO2（即環(huán)境條件）下476種脂質(zhì)代謝物。進(jìn)一步研究表明，細(xì)胞在長期高CO2環(huán)境下通過下調(diào)33種和上調(diào)42種脂質(zhì)代謝物來適應(yīng)環(huán)境。單半乳糖基二?；视驮陂L期高CO2選擇條件下顯著下調(diào)，但大多數(shù)（～80%）磷脂酰甘油（PG）上調(diào)。揭示了脂質(zhì)重塑是海洋硅藻應(yīng)對正在進(jìn)行的海洋酸化適應(yīng)策略。

蛋白質(zhì)翻譯后修飾在硅藻中已經(jīng)開展相關(guān)研究[32，34]，包括磷酸化[37]、乙酰化[38]及N-糖基化等。Xie等[39]鑒定三角褐指藻中的639種N-糖蛋白及863種不同的N-糖肽。其中，參與N-糖基化途徑的12種蛋白質(zhì)被鑒定為N-糖蛋白。同時(shí)，該項(xiàng)研究分析了N-聚糖結(jié)構(gòu)，更新了微藻中的N-聚糖數(shù)據(jù)庫。Behnke等[40]研究了T.oceanica中蛋白的 N-連接糖基化途徑，鑒定參與N-連接糖基化途徑必需的代謝酶。研究還鑒定了118個(gè)N-連接糖基化肽段，81%肽段具有NXT型基序（X是除脯氨酸以外的任何氨基酸）。

2.2 基因編輯研究

基因組測序完成后，通常借助缺失、過表達(dá)及亞細(xì)胞定位等相關(guān)技術(shù)探究基因功能[41]。相比隨機(jī)誘變方法，近年來，TALENs（Transcription activator-like （TAL） effector nucleases）和CRISPR/Cas9（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）系統(tǒng)被廣泛用于硅藻目的基因進(jìn)行定點(diǎn)修飾和靶向敲除[42-43]。由于TALEN技術(shù)的復(fù)雜性限制了其在硅藻分子遺傳學(xué)中的應(yīng)用，而CRISPR/Cas9技術(shù)越來越多被研究人員選用。Cas9（D10 A）核酸酶是Cas9核酸酶的突變形式，可以用于引入目標(biāo) DNA并進(jìn)行精確的雙切割，因而抑制了天然Cas9核酸酶的脫靶效應(yīng)。該項(xiàng)研究用于偽矮海鏈藻預(yù)測的θ型碳酸酐酶基因，實(shí)現(xiàn)了在硅藻基因組引入精確且相對較短的雙等位基因插入缺失，且脫靶效應(yīng)最小[44]。目前，CRISPR/Cas9技術(shù)在硅藻細(xì)胞中精準(zhǔn)編輯及優(yōu)化正在進(jìn)行中。

3 總結(jié)與展望

硅藻是食物鏈底層中最多樣化和最成功的浮游植物之一，調(diào)節(jié)地球的生物地球化學(xué)循環(huán)。近年來，為了探索硅藻的進(jìn)化過程，多種模式物種也在陸續(xù)開展功能基因組學(xué)的研究。針對已經(jīng)完成的硅藻基因組進(jìn)行了綜合比較分析，概述了其次級內(nèi)共生起源、基因水平轉(zhuǎn)移、特殊代謝途徑及環(huán)境適應(yīng)機(jī)制等多個(gè)生物學(xué)現(xiàn)象的研究進(jìn)展。此類研究極大擴(kuò)展人們對硅藻基因組復(fù)雜性的認(rèn)識。同時(shí)展望了硅藻基因組學(xué)的發(fā)展方向，以及在全基因組水平上開展重要功能基因驗(yàn)證等科學(xué)問題。未來硅藻物種測序?qū)⒔柚嘟M學(xué)聯(lián)合分析，采用更多新的技術(shù)手段，包括單細(xì)胞基因組、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞蛋白組及亞細(xì)胞定位組學(xué)等前沿技術(shù)，優(yōu)化基因編輯技術(shù)，同時(shí)利用基因工程及合成生物學(xué)等技術(shù)手段來開發(fā)利用硅藻資源?；蚪M學(xué)的深入研究將有助于進(jìn)一步揭示硅藻重要的生物學(xué)特性及環(huán)境適應(yīng)性等。