近日，中科院海洋所海藻遺傳與發育團隊在mSystems期刊發表題為“Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches”的研究論文。該論文綜合運用了宏組學、基因組學及異源功能驗證等方法解析海洋硅藻幾丁質合酶，相關結果為幾丁質合酶基因在各大洋及海洋真核微生物中的分布與豐度提供了新認識，也為硅藻β-甲殼素合成的生物學意義及調控機理研究打下了基礎。 

　　硅藻是海洋初級生產力的主要貢獻者，海洋吸收的CO₂約有40%由硅藻固定，與熱帶雨林固碳量相當。甲殼素（又稱幾丁質）是硅藻重要的碳積累產物，也是海洋環境中最重要的碳、氮來源。海洋每年可合成數十億噸甲殼素，其合成與降解對海洋生態系統的碳氮循環起著關鍵作用。盡管1965年就有報道硅藻能夠合成甲殼素，但是半個多世紀以來的研究側重于細胞學觀察和化學結構分析，未有從分子生物學手段解析硅藻甲殼素合成與降解機理的報道。 

　　前期，海洋所海藻遺傳與發育課題組與法國巴黎高等師范學院藻類基因組學團隊合作，在硅藻甲殼素代謝機理解析方面開展了原創性工作。結合多組學數據挖掘和特異基因（TpCDA、TwCDA）功能驗證，發現中心綱硅藻甲殼素相關代謝酶具有葉綠體、線粒體、內質網等復雜的細胞定位，CDAs基因豐度更高，對長鏈多聚甲殼素的催化能力更強，且同時具有幾丁質脫乙酰酶和幾丁質酶的活性，相關結果解釋了中心綱硅藻甲殼素及其衍生物高合成能力的潛在原因（New Phytologist, 2019；Marine Drugs, 2021），也為殼聚糖、殼寡糖的綠色工業制備提供了新的思路（BMC Plant Biology，2021；Metabolites，2023）。 

　　考慮到甲殼素對于全球碳氮循環的重要生態學意義，團隊又著眼于Tara Oceans全球采樣大數據，從硅藻宏轉錄組中挖掘了4939條甲殼素代謝關聯的基因序列，其中幾丁質酶（Chitinase）主要存在于粒徑較大的硅藻種屬中，而幾丁質結合蛋白（CBM_14）只在南大洋中有分布，表明其在極地環境中發揮某種特殊作用（圖1）。同時，通過檢索海洋真核微生物轉錄組數據庫（MMETSP）、PhycoCosm及PLAZA硅藻組學數據集，發現除海鏈藻目之外，Mediophyceae和Thalassionemales或為潛在的β-甲殼素天然合成者。生物合成途徑機理研究繞不開關鍵基因的功能驗證，團隊利用兩種高效的異源遺傳轉化體系（釀酒酵母和三角褐指藻），驗證了假微型海鏈藻中幾丁質合酶（TpCHS）具有催化甲殼素糖鏈合成的生物學功能。值得一提的是，在轉基因研究中，團隊發現一個有趣的現象，即三角褐指藻雖然能夠高效表達TpCHS1，但細胞形態異常，生長速率下降。結合激光共聚焦顯微觀察與細胞周期Marker基因表達量分析發現，TpCHS1定位于高爾基體與細胞膜系統，且與細胞分裂密切相關，而過表達株系生長速率下降可能與細胞周期調控中G2/M期檢驗點受到抑制有關（圖2）。 

圖1 甲殼素代謝相關基因在全球大洋的分布與豐度

圖2 TpCHS1亞細胞定位與Pt過表達株生長曲線及與細胞周期Marker基因表達量

　　中科院海洋所副研究員邵展茹為論文第一作者，段德麟研究員與Chris Bowler教授為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃及歐盟第七框架計劃等項目的資助。 

　　相關論文：Shao ZR et al. 2023. Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches. mSystems, e011312223. 

　　論文鏈接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/msystems.01131-22