海洋微藻是全球碳循环的重要驱动力，通过光合作用每年固定约110亿吨碳，占全球初级生产力的50%以上。由于水体中CO₂溶解度较低，微藻在进化过程中形成了高效的CO₂浓缩机制。然而，这一机制在低CO₂条件下的激活涉及多细胞器协同与代谢网络重编程，深层调控机理尚未完全阐明。近年来，DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传调控逐渐被证实是光合生物适应环境胁迫的核心机制，但工业微藻的表观基因组研究却一直缺乏系统性、多维度的表观遗传调控图谱，严重限制了对其低碳适应策略的理解。

针对这一问题，青岛能源所单细胞中心公衍海副研究员和王勤涛副研究员带领的研究团队以海洋微拟球藻为模式，通过涵盖DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体占位及三维染色质结构等多维度表观基因组测序，构建了适应低CO₂浓度的工业微藻多维度表观遗传调控动态图谱，系统解析了微拟球藻从高CO₂（5%）向低CO₂（0.01%）环境转变过程中的表观遗传动态，进而通过遗传工程的验证，揭示了H3K4组蛋白修饰在低碳适应中的重要贡献与调控机制（图1），为提升工业产油微藻碳固定效率提供了全新的改造策略与靶点。

图1 多维表观基因组分析揭示H3K4组蛋白修饰调控微拟球藻适应低CO₂的过程

首先，研究团队通过构建多层次表观基因组图谱，并结合转录组数据进行高碳与低碳下的差异分析，研究发现微拟球藻的全基因组甲基化水平仅为0.13%，且低碳条件下无显著变化；激活型组蛋白修饰（H3K4me2、H3K9ac、H3K27ac和Kcr）与43.1%的差异表达基因显著相关，这些基因富集于核糖体的生物合成、光合作用、基因表达等核心代谢通路；低碳条件下染色体局部区室转换与基因表达变化显著相关，且H3K4me2修饰可能通过介导染色质开放状态调控靶基因转录。

研究团队采用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除了H3K4甲基转移酶基因NO24G02310，发现H3K4me1在全基因组水平的丰度显著降低，H3K4me2发生全基因组范围的定位偏移，突变株的生长速率下降约22%，生物量积累量降低约15%，表明H3K4修饰在微拟球藻低碳适应过程中具有关键调控作用。对NoHINT与NoPMA2基因的敲除及过表达实验发现，H3K4修饰可能通过调控特定酶的互作网络及改变叶绿体跨膜pH梯度，参与微拟球藻低碳适应。

该研究共构建73个表观基因组数据集，生成总量达504 Gb的高质量数据，系统揭示了微拟球藻在低碳环境下的表观遗传重编程过程，并锁定了一批具有潜力的基因改造靶点，为通过基因编辑优化微藻碳固定效率、推动生物能源开发及高附加值产物产业化提供了坚实的数据支撑。与此同时，研究阐明了微藻依靠表观遗传重编程实现快速低碳适应的分子机制，有助于深刻理解真核微藻在海洋碳循环中的作用机制，为预测海洋生态系统在气候变化背景下的响应，以及人工碳汇工程的设计与应用奠定了重要的理论基础。研究所有数据已通过NCBI和NanDeSyn数据库（https://nandesyn.single-cell.cn）向全球科研界开放共享，助力光合生物表观遗传学研究的持续发展。

上述研究成果近期发表于《植物通讯》（Plant Communications），由单细胞中心徐健研究员和孙鲁阳研究员主持完成，海南师范大学魏力副教授和海南大学辛一研究员亦参与了本研究。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。（文/公衍海 图/刘阳） 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101534 

Yanhai Gong^#, Qintao Wang^#, Li Wei, Lianhong Wang, Nana Lv, Xuefeng Du, Chen Shen, Yi Xin, Luyang Sun^*, Jian Xu^*. Multi-dimensional epigenomic dynamics converge on H3K4 regulation of low CO₂ adaptation in Nannochloropsis oceanica. Plant Communications, 2025.