响应低二氧化碳胁迫的表转录组重编程以及m6A修饰工程在Nannochloropsis oceanica中增强生物量生产的作用

《The Plant Journal》：Epitranscriptomic reprogramming in response to low CO2 stress and m6A engineering to enhance biomass production in Nannochloropsis oceanica

　　本研究首次利用MeRIP-seq和CRISPR/dCas13系统解析了Nannochloropsis oceanica在CO?浓度变化下的m?A动态修饰，发现其与光合作用、碳氮代谢相关基因表达正相关，并成功通过表观编辑提升低CO?条件下的生长效率和光合活性。

　　在当今的生物技术研究中，微藻因其独特的生理特性和潜在的工业应用价值，成为研究的重点对象之一。其中，*Nannochloropsis oceanica* 作为一种具有重要经济价值的微藻，不仅在碳捕集方面表现出色，还在生物燃料和生物材料生产中具有广阔的应用前景。近年来，随着对RNA表观遗传学的深入研究，科学家们逐渐认识到N?-腺苷甲基化（m?A）这一修饰在调控基因表达和细胞适应环境变化中的重要作用。然而，关于微藻中m?A的动态变化、沉积机制及其在环境压力下的重新编程过程，研究仍处于初步阶段。本文通过系统的研究，首次揭示了* N. oceanica *在从高CO?条件转向低CO?条件时，m?A修饰的动态变化及其在基因表达调控中的作用，同时通过基因编辑技术对m?A修饰进行了人工调控，进一步提升了微藻在低CO?条件下的生长速率和生物量产量。

在研究中，科学家们采用甲基化RNA免疫沉淀测序（MeRIP-seq）技术，对* N. oceanica *在不同CO?浓度下的m?A修饰进行了全面分析。结果表明，m?A修饰主要富集在mRNA的3′UTR区域，且其在低CO?条件下的丰度与CO?响应基因的表达水平存在正相关关系。这种关联表明，m?A修饰在微藻适应环境压力过程中可能发挥重要作用。此外，研究还发现，当两种可能的m?A甲基酶——NoMTA（NO04G02990）和NoMTB（NO07G02450）被敲除后，微藻的m?A修饰水平发生显著变化，从而影响了与碳/氮代谢和光呼吸相关的基因表达。这些变化导致微藻的生长速率和生物量产量下降，进一步说明了m?A修饰在微藻代谢调控中的关键作用。

为了探索如何通过调控m?A修饰来提升微藻的低CO?胁迫耐受性，研究人员首次在* N. oceanica *中构建了基于CRISPR/dCas13系统的m?A修饰工程化方法。该方法结合了外源性MTA和内源性NoMTB，利用其催化活性实现了对特定mRNA的m?A修饰。研究发现，这种人工调控显著提升了* N. oceanica *在低CO?条件下的生长速率和生物量产量。通过定量PCR和LC–MS/MS分析，研究人员进一步验证了m?A修饰水平的改变与目标基因表达之间的关系。实验结果表明，m?A修饰的增加促进了CA5基因的表达，而该基因在微藻的碳浓缩机制（CCM）中起着重要作用。通过这种基因工程手段，科学家们成功地实现了对m?A修饰的调控，从而提升了微藻的生长能力。

研究还揭示了m?A修饰在微藻基因表达调控中的复杂机制。通过比较不同时间点的m?A修饰变化和基因表达数据，研究人员发现，m?A修饰的富集区域与基因表达水平之间存在显著的正相关关系。具体而言，在* N. oceanica *的CDS（编码序列）区域，m?A修饰的增加与基因表达的增强密切相关；而在3′UTR和stop codon区域，m?A修饰的减少则与基因表达的下降相关。这一发现不仅有助于理解m?A修饰在微藻中的功能，还为未来利用表观遗传调控手段提高微藻的工业应用价值提供了理论依据。

此外，研究还发现，NoMTA和NoMTB的表达水平在低CO?条件下发生变化，这可能影响m?A修饰的整体水平。通过构建NoMTA和NoMTB的敲除突变体，研究人员进一步验证了这两种基因在m?A修饰调控中的重要性。实验结果表明，NoMTB的缺失对m?A修饰的影响更为显著，其导致的m?A修饰水平下降也更明显。这提示我们，NoMTB可能在m?A修饰的沉积过程中扮演更为关键的角色。同时，研究还发现，某些关键的代谢基因，如参与光呼吸的基因，其m?A修饰水平的变化可能与微藻在低CO?条件下的生理适应密切相关。

从研究方法的角度来看，本文采用了多种技术手段，包括MeRIP-seq、mRNA-seq、LC–MS/MS、点印迹分析和定量PCR等，对m?A修饰的动态变化及其与基因表达之间的关系进行了系统分析。通过这些技术，研究人员不仅能够准确地定位m?A修饰的富集区域，还能定量分析其在不同时间点和不同基因中的变化趋势。同时，通过构建m?A修饰工程化载体，研究人员成功地实现了对特定基因的m?A修饰调控，为微藻表观遗传学研究提供了新的思路。

在应用层面，该研究不仅揭示了微藻在低CO?条件下的表观遗传适应机制，还为微藻的工业应用提供了新的可能性。通过人工调控m?A修饰，研究人员能够提高微藻在低CO?环境下的生长速率和生物量产量，这在碳捕集和生物燃料生产中具有重要的应用价值。同时，这种表观遗传调控手段的建立，也为其他微藻的基因工程改造提供了借鉴。

综上所述，本研究通过系统分析* N. oceanica *在低CO?条件下的m?A修饰动态变化及其与基因表达的关系，揭示了m?A修饰在微藻代谢调控中的重要作用。同时，通过基因编辑技术对m?A修饰进行了人工调控，成功提升了微藻在低CO?条件下的生长能力。这些研究成果不仅深化了我们对微藻表观遗传调控机制的理解，也为未来在微藻生物技术领域的应用提供了新的研究方向和实践基础。