低温是影响生物体生长和发育,导致产量和质量下降的一个重要因素。螺旋藻是一种重要的经济微藻,我国螺旋藻规模化养殖基地分布地理跨度大,利用跑道式开放养殖和大棚养殖会不同程度遭受低温胁迫的影响,尤其是在早春晚秋时期。因此,研究螺旋藻对低温的适应性以及提高螺旋藻抗寒能力对于保障螺旋藻的生长具有重要的理论意义和实际应用价值。本文主要研究低温胁迫(15℃)以及添加锌离子处理(75 μM)对螺旋藻生长以及生理指标的影响,同时在基于转录组测序的基础上,应用蛋白质组学技术探索螺旋藻对低温胁迫的响应机制以及锌离子提高螺旋藻低温耐受性机制。主要研究结果如下:(1)本实验中采用Illumina双端测序技术对螺旋藻的转录组进行测序,共获得unigene序列104,979条。将得到的104,979个unigene注释到UniProt数据库,其中有 47,062(44.8%)个 unigene 获得注释;有 45,685(43.5%)个 unigene 获得GO 注释;47,275(45.0%)个 unigene 注释到 COG 数据库;24,162(23.0%)个 unigene注释到KEGG中的321条代谢通路。建立了螺旋藻完整的转录组数据库。(2)采用蛋白质组学技术,在螺旋藻常温对照组(30℃)和低温胁迫组(15℃)鉴定出显著性差异表达蛋白共943个。基于GO和KEGG注释分类,将这些差异性表达蛋白归为碳水化合物代谢,光合作用、氨基酸代谢和翻译代谢通路,并结合生理响应分析螺旋藻低温响应机制:低温胁迫产生过多活性氧激活了螺旋藻细胞内抗氧化系统,增强了细胞清除活性氧的能力,减缓活性氧对细胞生物膜和大分子物质的伤害。碳水化合物以及能量代谢中与糖异生和多糖降解代谢相关酶的水平上调表达,同时与多糖合成代谢相关酶的水平下调表达,说明低温胁迫有利于螺旋藻细胞积累可溶性糖。在氨基酸合成代谢中,与脯氨酸和谷氨酸合成代谢相关酶表达量增加,说明低温条件下会上调一些特定氨基酸(如脯氨酸)参与低温胁迫。研究发现螺旋藻也通过增加一些胁迫防御蛋白,如RNA解旋酶等来积极响应低温胁迫。此外,低温胁迫下,螺旋藻细胞内天线蛋白、光反应中心蛋白和卡尔文循环中关键酶水平均下调表达,导致光合作用速率降低;与翻译相关蛋白水平也受到抑制。因此,低温胁迫下,螺旋藻主要通过上调一些参与可溶性糖、氨基酸生成的酶、胁迫防御蛋白以及激活抗氧化系统来积极响应低温胁迫。(3)基于蛋白质组学,研究添加锌离子提高螺旋藻低温耐受性机制,在低温胁迫组和低温胁迫添加锌离子组(LT+zinc)共鉴定出74个显著性差异蛋白。基于GO和KEGG注释分类,将这些差异性表达蛋白归为光合作用、碳代谢、核苷酸代谢、信号传导、翻译和氨基酸代谢通路,结合生理学变化分析锌离子提高螺旋藻低温耐受性机制:低温胁迫下,添加锌离子后,一些天线蛋白、光反应中心蛋白和参与色素合成相关的酶水平增加,提高了光合作用光吸收和电子传递效率,使光反应增强,同时发现碳固定途径中一些关键酶上调表达,提高了光合作用碳固定速率,最终使光合作用整体增强。同时抗氧化系统进一步增强,提高了清除细胞内活性氧的能力,有效减轻活性氧引起的膜脂质过氧化及对大分子物质的伤害。一些与氨基酸和核苷酸合成相关酶的水平上升,说明锌离子能够提高氨基酸和核苷酸合成代谢速率,利于螺旋藻细胞的生长。此外,一些与信号传导相关的蛋白(组氨酸激酶)水平上升,表明添加锌离子有助于螺旋藻积极感知所处环境和响应胁迫。因此,添加锌离子后,整体上提升了螺旋藻的合成代谢速率,有利于螺旋藻积极响应低温胁迫。综上分析,本研究利用高通量测序技术对螺旋藻进行了大规模的转录组测序,对得到的基因进行注释和分析,构建了螺旋藻转录组数据库。在此基础上,基于蛋白组水平揭示了螺旋藻对低温胁迫的响应机制,探索出了提高螺旋藻低温耐受性的方法,这无论在理论和实际应用上均具有重要的意义,为进一步研究螺旋藻对低温适应性奠定了坚实的基础和提供了重要研究线索;对分布在各地的螺旋藻养殖基地,尤其在早春晚秋应对低温提高产量和质量开辟了新途径,对延长螺旋藻养殖期和推动螺旋藻产业的发展均具有重要的意义。