环境变化对纤毛虫原生生物核糖体RNA基因SNP、拷贝数及其表达的影响

Abstract

核糖体小亚基RNA基因（SSU或18S rDNA），由于其广泛存在性和物种特异性，是生物进化与生态学研究中最理想和最常用的分子标记之一。基于rDNA分子标记进行生物进化和生态学研究时，细胞中rDNA拷贝数及其序列变异程度将对研究结果产生直接影响。纤毛虫原生生物rDNA拷贝数与多态性总体上高于其他真核生物类群，且多态性与拷贝数呈正相关，该现象可能影响纤毛虫分子生态、种类鉴定及系统演化推断的准确度。不同个体，不同生长阶段或环境条件的变化都可能引起动、植物或原生生物细胞内rDNA量或拷贝数的变化，但环境因素引起rDNA拷贝数差异或序列多态性的原因，环境变化对rDNA及其表达产物的数量及其序列多态性的影响以及rDNA/RNA拷贝数与生物体水平的表型性状之间的关系还不清楚。另外，之前的研究多数是基于细胞群体水平或多细胞生物体进行的，缺乏基于单细胞水平的相关研究。 本工作中，我们选取三种单细胞异养纤毛虫作为模式生物，进行了温度、重金属铜离子（Cu2+）和四环类抗生素土霉素（OTC）三种环境条件下的处理实验，在单细胞水平上研究环境变化对纤毛虫原生生物细胞大小，核糖体基因拷贝数、表达量和序列变异程度的影响。得出的主要结论如下： （1）温度升高造成纤毛虫原生生物生长速率增加，细胞体积减少；而重金属和抗生素胁迫造成纤毛虫生长速率降低，细胞体积增加。纤毛虫细胞在温度变化的返回实验组中可恢复生长速率和细胞大小，具有表型可塑性，而在重金属和抗生素胁迫中，则不能恢复到原始水平，为有不可逆的毒性作用。 （2）基于单细胞水平的qPCR结果显示，本研究涉及的三种纤毛虫细胞均具有极高的rDNA/RNA拷贝数，且同一个细胞中，rRNA拷贝数显著多于rDNA拷贝数。温度升高造成rDNA/RNA拷贝数的显著减少，而重金属和抗生素胁迫则造成拷贝数的增加。将细胞内核糖体拷贝数和多态性与表型（细胞大小、生长速率）相关联，发现rDNA/RNA拷贝数与细胞大小显著正相关。此外，最大生长速率与细胞rRNA：rDNA比值并不良好相关，表明rRNA：rDNA比值并不是原生生物活性的良好指标。 （3）rDNA和rRNA分子标记种内单核苷酸多态性分析发现，AT→GC类型的碱基转换比GC→AT类型的碱基转换更常见。温度升高或重金属和抗生素胁迫情况下，rDNA/RNA中AT→GC突变率增多，导致序列GC含量的增加，用于提高核酸分子的灵活性或弯曲性，保证基因组稳定性。 （4）三种纤毛虫rDNA/RNA分子标记的种内变异度极高，基于97%的相似性水平，单个体内可得到多个rDNA/RNA序列可操作分类单元（OTU），温度升高引起OTU数目的增加，而重金属和抗生素胁迫则造成数目的减少。 本研究在前期纤毛虫原生生物单一个体内rDNA拷贝数及序列多态性的研究工作取得重要进展的基础上，主要深入分析环境变化对纤毛虫rDNA/RNA拷贝数和序列变异的影响，并解析分子生物学特征与表型（细胞大小、生长速率）的相关性。研究结果对基于rRNA与rDNA的原生生物分子生态学研究具有指导意义，为从rDNA角度理解原生生物生理生态适应机制提供了重要数据