微藻作為已知固碳效率最高的光合生物之一，能夠通過光合作用將環(huán)境中的CO2和水中的無機(jī)碳及小分子有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為自身生長繁殖的碳源。目前，其在生物能源、天然產(chǎn)物生產(chǎn)方面具有廣闊前景。隨著遺傳操作手段的發(fā)展，利用微藻作為底盤細(xì)胞進(jìn)行合成生物學(xué)改造也逐漸開展。然而，微藻在規(guī)?；呐囵B(yǎng)過程中，尤其是在室外高溫高光的條件下，通常會導(dǎo)致微藻細(xì)胞中活性氧（ROS）和光呼吸的過量產(chǎn)生，從而導(dǎo)致細(xì)胞生長速度降低。作為單細(xì)胞光合生物，細(xì)胞自身的放氧水平與細(xì)胞狀態(tài)和環(huán)境影響息息相關(guān)，如何調(diào)控細(xì)胞內(nèi)外的氧含量水平，對微藻養(yǎng)殖具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員李福利帶領(lǐng)的分子微生物工程研究組針對光合單細(xì)胞微藻細(xì)胞內(nèi)氧水平調(diào)節(jié)，首次將外源透明顫菌血紅蛋白基因（Vitreoscilla hemoglobin gene，vgb）轉(zhuǎn)入微擬球藻（Nannochloropsis.oceanica）細(xì)胞中。透明顫菌血紅蛋白能夠在高氧水平下結(jié)合氧氣分子，在低氧水平下釋放氧氣分子。引入該基因并誘導(dǎo)表達(dá)后，能夠使其在細(xì)胞快速放氧階段結(jié)合部分氧分子，從而降低了在光過飽和階段細(xì)胞內(nèi)氧水平，調(diào)控了細(xì)胞內(nèi)的氧平衡，減少了對細(xì)胞的氧化損傷，同時降低了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的光呼吸水平。獲取的轉(zhuǎn)化株與野生型藻株相比，其生物量提高了7.4%~18.5%，最佳轉(zhuǎn)化株中EPA含量提高了21.0%。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)化株細(xì)胞內(nèi)ROS水平下降了56.9%～70.0%，過氧化氫酶含量約為野生型的1.8倍。通過測定和計算溶解氧濃度，檢測到轉(zhuǎn)化株光呼吸水平降低；光呼吸途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因的表達(dá)水平比野生型低80%以上。相關(guān)研究結(jié)果表明，在光合單細(xì)胞微藻中引入透明顫菌血紅蛋白可以減少在光過飽和條件下的ROS損傷和調(diào)節(jié)光呼吸，改善微藻的生長，這為藻株的工業(yè)應(yīng)用提供了良好的藻種與技術(shù)支持。研究成果發(fā)表在Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology上。
此外，研究人員還圍繞微藻種質(zhì)資源和天然產(chǎn)物生產(chǎn)進(jìn)行了研究，前期通過同中科院近代物理研究所合作進(jìn)行的重離子輻照海洋硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）研究，獲得了大量突變藻種用以篩選海洋硅藻的天然產(chǎn)物——巖藻黃質(zhì)（Fucoxanthin）。巖藻黃質(zhì)廣泛存在于大型海藻和硅藻中，對人體健康具有益處（如抗糖尿病、抗肥胖、抗炎等生理活性）。三角褐指藻是一種富含巖藻黃質(zhì)的硅藻模式生物。在此前的研究中，李福利團(tuán)隊為了簡化巖藻黃質(zhì)檢測方法，開發(fā)出使用分光光度計算法替代傳統(tǒng)的使用高效液相色譜（HPLC）檢測的方法，使用該方法在3～5分鐘內(nèi)即可完成對樣品中巖藻黃質(zhì)含量的檢測和計算，提高了研究效率（Marine Drugs, 2018, 16, 33; doi:10.3390/md16010033）。近期，研究團(tuán)隊又進(jìn)一步使用流式細(xì)胞技術(shù)對突變株中巖藻黃質(zhì)含量進(jìn)行高通量篩選研究，引入了488 nm的激發(fā)光來分析三角褐指藻的發(fā)射熒光。在710 nm處觀察到一個獨特的光譜峰，并發(fā)現(xiàn)巖藻黃質(zhì)含量與該處的平均熒光強(qiáng)度之間存在線性相關(guān)性。通過流式細(xì)胞術(shù)來篩選由重離子輻射產(chǎn)生的高巖藻黃質(zhì)含量的突變體，培養(yǎng)20天后，分選得到的細(xì)胞的巖藻黃質(zhì)含量比野生型高25.5%。該工作提供了一種高效、快速和高通量的方法來篩選高產(chǎn)巖藻黃質(zhì)的突變體。相關(guān)研究成果發(fā)表于Marine Drugs。
研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。
來源：中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所
