纳米级海洋微藻低CO2适应性的多维表观基因组调控机制：H3K4甲基化介导的碳同化新通路

本研究针对微藻在低CO2环境下碳同化效率低下的问题，通过整合ChIP-Seq、MNase-Seq、Hi-C和WGBS等多维表观基因组技术，首次在Nannochloropsis oceanica中构建了完整的表观遗传调控图谱。研究发现H3K4me2通过调控NoHINT和NoPMA2基因表达，显著影响微藻生长和光合作用效率，为通过表观遗传工程提升微藻固碳能力提供了新策略。

　　

随着全球气候变化加剧，海洋微藻作为重要的碳汇资源受到广泛关注。然而，微藻在低CO₂环境下的适应机制，特别是表观遗传调控层面，仍存在显著的知识空白。Nannochloropsis oceanica作为一种工业产油微藻模型，其独特的碳浓缩机制（CCM）缺乏羧酶体等典型结构，使得解析其低CO₂适应机制更具挑战性。以往研究表明，该藻株32%的基因在低CO₂胁迫下发生转录调控，但背后的表观遗传驱动因素尚未阐明。

为系统解析这一问题，中国科学院单细胞中心的研究团队在《Plant Communications》发表了突破性研究。他们通过整合73个功能基因组学数据集（总计504GB测序数据），构建了包含DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体占位和3D染色质构象的多维表观基因组图谱。研究采用染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）分析组蛋白修饰，微球菌核酸酶测序（MNase-Seq）解析核小体定位，Hi-C技术描绘三维基因组结构，并辅以全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）检测DNA甲基化模式。所有实验均在严格控制的培养条件下进行，使用N. oceanica IMET1藻株在5% CO₂（HC）和0.01% CO₂（LC）条件下培养24小时后取样。

研究结果揭示了一系列重要发现：

组蛋白修饰指导低CO₂下的转录重编程

通过质谱分析鉴定出87种组蛋白翻译后修饰（PTMs），远超其他斯特拉门藻类。ChIP-Seq数据显示H3K9ac、H3K27ac和Kcr（克罗托尼化）在转录起始位点（TSS）富集，而H3K4me2呈现独特的双峰分布模式。差异组蛋白修饰（DHMs）与43.1%的差异表达基因（DEGs）相关，其中碳酸酐酶基因NoCA5（NO20G00630）在LC条件下显示H3K9ac、H3K27ac和Kcr的协同激活，表达量提升6倍。

核小体动态重构基因表达格局

研究发现NRL（核小体重复长度）稳定在178bp，TSS和转录终止位点（TTS）区域出现核小体耗竭。4,496个差异定位核小体（DPNs）中35.1%与差异表达基因相关，下调基因富集于核糖体组分，表明LC胁迫下代谢活动的整体重构。

染色质状态转变介导表观遗传重编程

ChromHMM分析定义了5种染色质状态（CSs），其中26.8%的DEGs发生CS转变。从CS5向CS4的转变与核糖体基因下调相关，而苹果酸酶基因ME1（NO26G00480）的下调与H3K27ac/Kcr减少及H3K4me2峰的重定位相关。

三维基因组架构响应CO₂变化

Hi-C分析显示染色体呈现二分折叠构象，A/B区室转换与基因表达变化显著相关。特别发现H3K4me2动态与区室转换密切相关，A到B转换伴随H3K4me2显著减少（p<0.0001）。

H3K4甲基转移酶功能验证

通过CRISPR/Cas9敲除候选甲基转移酶NO24G02310，导致突变体H3K4me2峰向TSS移动，H3K4me1水平显著降低。突变体在LC条件下生长下降20.1%、生物量降低12.4%、Fv/Fm（光合效率参数）降低8.5%，而在HC条件下无显著变化。转录组分析发现组蛋白三联核苷酸结合蛋白NoHINT（NO14G01650）和质膜H⁺-ATP酶NoPMA2表达下调。

靶基因功能验证

NoHINT敲除突变体在LC下显示生长减缓（5.4-14.0%），而NoPMA2过表达导致Fv/Fm降低6.0-8.4%，表明NoHINT调控生长、NoPMA2影响光合效率。

研究结论表明，N. oceanica通过多维表观遗传机制适应低CO₂环境，其中H3K4me2的核心调控作用尤为突出。NO24G02310介导的H3K4甲基化通过靶向NoHINT和NoPMA2基因，协调微藻的生长和光合作用效率。该研究不仅首次绘制了微藻碳同化的表观遗传调控图谱，而且为通过表观遗传工程提升微藻固碳能力和生物质产量提供了新思路，对开发基于微藻的碳捕获技术和生物能源生产具有重要应用价值。