第七篇 ??只此青綠——Cyanidiales：Cyanidioschyzon、Cyanidium和Galdieria
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作者：俞建中（微信號：Scophy117）
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（文中來源于網(wǎng)絡(luò)或他人的圖片，版權(quán)歸原作者所有，本文僅用于科普宣傳，不涉及任何商業(yè)利益，本系列所有前篇及后篇均遵守此規(guī)則，他人如有轉(zhuǎn)引，敬請準(zhǔn)遵?。?/p>
在讀博士的時候，因為有一些文庫基因比對的工作，就注意到Cyanidioschyzon、Cyanidium和Galdieria這三個屬名，因為工作內(nèi)容不在這方向，當(dāng)時大略一掃，只留下如：第一個真核細(xì)胞、熱泉口等幾個關(guān)鍵詞的印象。一晃十七八年過去，再看到這幾個詞，內(nèi)容的豐富度，已經(jīng)完全不同了。
- 分類學(xué)信息
先簡單說下紅藻門的分類情況，紅藻（Rhodophyta）是一群古老的光合真核生物，甚至有觀點認(rèn)為它在植物和真菌的共同祖先出現(xiàn)之前就已經(jīng)分化出來。紅藻是一組多種多樣的生物，包含多細(xì)胞和單細(xì)胞物種，可以在廣泛的棲息地定居，包括海洋和淡水、熱硫泉和火山環(huán)境。紅藻的分類已經(jīng)被多次修訂和更新，目前有觀點認(rèn)為紅藻分為兩個亞門： Cyanidiophytina和Rhodophytina，其中亞門Cyanidiophytina只有一個綱一個目，即本篇所涉及的內(nèi)容。
在基因組測序難度如同種大白菜的今天，分類這個領(lǐng)域，意見相岐的研究人員之間依然能打出狗腦子來，相比大部分門類從混亂到清晰，微藻等少數(shù)類群里的一部分內(nèi)容到今天還是有爭議，Cyanidioschyzon、Cyanidium和Galdieria三個屬種自命名至今也是變動頻繁。
綜合了一下近幾年的報道，以上三個屬，均歸于Cyanidiophyceae綱，Cyanidiales目，并分別占據(jù)Cyanidiales目下的三個科：Cyanidioschyzonaceae科、Cyanidiaceae科和Galdieriaaceae科，代表種分別為Cyanidioschyzon merolae、Cyanidium caldarium和Galdieria sulphuraria。2020年，臺灣學(xué)者為這個門類增添了一個新屬新種：Cyanidiococcus yangmingshanensis，由此增加到四個屬（如下表所列）。
表1. Cyanidiophyceae綱內(nèi)分類信息
另外，查詢Algabase網(wǎng)站，在Cyanidium屬內(nèi)，還有C. chilense Schwabe、C. caldarium f. rumpens G.H.Schwabe、C. daedalum (O.Yu.Sentsova) F.D.Ott、C. maximum (O.Yu.Sentsova) F.D.Ott、C. partitum (O.Yu.Sentsova) F.D.Ott、C. rumpens (G.H.Schwabe) F.D.Ott等7個種；文獻(xiàn)檢索還查到有如Cyanidium chilense, G. phlegrea，G. maxima，G. partita和G. daedala等種，在此不贅述。
【Galdieria屬內(nèi)，僅種G. sulphuraria就分為兩個分支，包括來自意大利那不勒斯、加利福尼亞和黃石公園的G. sulphuraria以及包括來自印度尼西亞爪哇和俄羅斯的G. sulphuraria；而整個綱目內(nèi)則有更復(fù)雜的分支組成，詳見DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.89810】
圖1. AlgaeBase中Cyanidioschyzon merolae、Cyanidium caldarium和Galdieria sulphuraria三個種的光鏡照片
- 中文名的問題
沒有中文名還是給國人，至少給我很大的困擾。
前面提到的Cyanidiophytina亞門，有被翻譯為紫藻亞門，相應(yīng)的往下依次可以稱為紫藻綱、紫藻目等。但是，就觀察到的藻細(xì)胞顏色，要跟“紫”聯(lián)系起來，實在需要很大的想象力。
如果從拉丁文開始分析，Cyanidi-這個詞根有青綠/青藍(lán)的意思，與其著“紫”，不如“青綠”，跟藻的外觀也更符合。相應(yīng)的把表里對應(yīng)的詞叫青綠（或青藍(lán)）藻綱Cyanidiophyceae、青綠藻目Cyanidiales、青綠藻科Cyanidiaceae及青綠藻屬Cyanidium；Cyanidioschyzonaceae和Cyanidioschyzon可以叫裂殖青綠藻科和裂殖青綠藻屬；Galdieria源于人名Galdieria，因此Galdieria sulphuraria可以叫嗜硫加爾迪里藻；而臺灣學(xué)者新發(fā)現(xiàn)的Cyanidiococcus yangmingshanensis可以叫陽明山青綠球藻。
當(dāng)然以上為非專業(yè)人士即本人翻譯，如有錯誤概不負(fù)責(zé)。
圖2. 上圖a&b為酸性溫泉水池及附近巖石上的青綠藻（日本，Dr. Sumiya）；下圖c-e為同比例標(biāo)尺下三種青綠藻的光鏡照片：（c）Cyanidioschyzon merolae 10D、（d）Cyanidium caldarium RK-1和（e）Galdieria sulphuraria 074（Miyagishima et al., 2017）
- 生物學(xué)內(nèi)容
青綠藻目Cyanidiales，是12億年前從其他物種中分化出來的最古老的紅藻，已知的有發(fā)現(xiàn)較早的三個屬裂殖青綠藻屬Cyanidioschyzon、 青綠藻屬Cyanidium和加爾迪里藻屬Galdieria，以及新發(fā)現(xiàn)的青綠球藻屬Cyanidiococcus，目前為止，鑒定有10來個種，鑒于研究內(nèi)容的豐富度，本稿僅介紹Cyanidioschyzon、Cyanidium和Galdieria三個屬及代表種。
（一）形態(tài)與生理特征
青綠藻目相比于其他門類，有諸多的特點。首先是這個門類幾乎全部生存在一些極端環(huán)境中，比如強(qiáng)酸性（pH 0.05-3）的泉水、火山口、礦山、60℃的熱泉口，低溫洞穴（4-10℃，濕潤而無光/弱光）等，這些類型的環(huán)境分布在世界各地，如美國黃石國家公園的熱硫泉或冰島、意大利、印度尼西亞、新西蘭和日本的火山地區(qū)，幾乎是這些區(qū)域唯一生存的光合作用生物。經(jīng)常有多個種共同生存在同一個區(qū)域，耐酸、耐高溫和耐鹽的能力讓它們不容易被污染而易于培養(yǎng)，而且因為顏色與環(huán)境顯著的不同，更容易被發(fā)現(xiàn)而采樣，進(jìn)而被研究。目前全世界已經(jīng)記錄采集了500多個樣品，尤其那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)（University of Naples Federico II）收集了400多個“耐熱-嗜酸”樣品，但是目前只有不到十個種得到深度的研究。
圖3. 美國黃石國家公園火山泉的青綠藻（Andreas Meyer）
圖4. 雷克雅未克（冰島）硫磺熱泉口巖石上分布的G. sulphuraria（Christine Oesterhelt）
由于在10多億年前就開始分化，三個屬種間的遺傳差異非常巨大，如C. merolae和G. sulphuraria之間的遺傳差異幾乎和果蠅與人類間的差異相等，究其原因，可能為嚴(yán)酷環(huán)境導(dǎo)致的DNA高損傷率因而引起的高突變率/演化速率。但是，盡管以散點狀分布在世界各地的特定極端環(huán)境，相互間不能形成“交流”，青綠藻目內(nèi)的屬種之間生理和形態(tài)特征等非常相似，認(rèn)為是所處的極端環(huán)境，導(dǎo)致細(xì)胞始終處于高度的選擇壓力之下，因而導(dǎo)致其形態(tài)和生理的多樣性最小化。當(dāng)然Cyanidioschyzon、Cyanidium和Galdieria這三個屬種還是可以通過細(xì)胞形態(tài)學(xué)和生理生態(tài)特征來區(qū)分。
圖5. 位于智利的阿塔卡馬沙漠沿海洞穴內(nèi)，Cyanidium在巖壁上形成生物膜。（Azúa-Bustos et al., 2009）
（1）Cyanidioschyzon merolae：細(xì)胞較小，大小為1.5 ~ 3.5μm，呈橢圓形、棒狀。沒有細(xì)胞壁，含有一個多態(tài)葉綠體和一個線粒體，通過二元裂變進(jìn)行繁殖。這個物種是一個嚴(yán)格的自養(yǎng)生物，只能通過光合作用進(jìn)行生長繁殖，被認(rèn)為是最原始的真核微藻。但有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過遺傳改造后，該藻也能利用有機(jī)碳源進(jìn)行異養(yǎng)或兼養(yǎng)。
圖6. C. merolae細(xì)胞分裂過程圖解（Misumi et al., 2005；Miyagishima & Tanaka，2021）
（2）Cyanidium caldarium：細(xì)胞大小為2-5μm，呈球形，被富含蛋白質(zhì)的細(xì)胞壁包圍。它們包含一個單一的球形葉綠體和一個凹的線粒體，并通過形成4個內(nèi)生孢子繁殖，類似C. merolae，該種也限制于光養(yǎng)生長。
（3）Galdieria sulphuraria：細(xì)胞球形，細(xì)胞較大，可達(dá)11 μm。它有細(xì)胞壁，一個杯狀的葉綠體，一個線粒體和一個液泡，并通過形成4-32個子細(xì)胞增殖。該種是兼性異養(yǎng)生物，當(dāng)環(huán)境條件限制了光合作用時，能夠利用有機(jī)化合物作為碳源。
圖7. 三種不同營養(yǎng)方式下的G. sulphuraria SAG 107.79（Amanda M. Davis，et al., 2016）
【研究認(rèn)為Cyanidioschyzon屬可能是宿主嗜熱細(xì)胞(類熱原體的太古代微生物) 和一個小藍(lán)藻之間結(jié)合的結(jié)果，或者一個宿主古細(xì)菌吞噬一個嗜熱小藍(lán)藻，而后演化出Cyanidium屬，具有厚實的細(xì)胞壁，而后者進(jìn)一步分化成Galdieria屬的各個分支】
圖8. (A) 意大利托斯卡納Larderello的巖石內(nèi)和(B)那不勒斯Pisciarelli的青綠藻。箭頭表示在這些地點的巖石內(nèi)部繁盛的青綠藻生物群落。右上角電鏡圖像分別顯示了兩種Galdieria的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，比例尺= 1 μm。（Yoon et al., 2006）
這三種藻的營養(yǎng)方式與其生境可以對應(yīng)起來, C．caldarium和C. merolae主要是在巖石表面發(fā)現(xiàn)的，而G. sulphuraria則是從巖石更內(nèi)層中分離出來，這個部位陽光穿透不足，迫使細(xì)胞轉(zhuǎn)向異養(yǎng)。
圖9. 美國黃石國家公園里的青綠藻：（a）酸性溫泉溪流中形成的藻苔/藻墊，（b）在沉積巖的表殼及表殼下的青綠藻，（c）硫磺煙霧中的巖石表面生長的青綠藻。（Valérie Reeb & Debashish Bhattacharya，2010）
（二）基因組信息
C. merolae和G. sulphuraria，的全基因組測序在十多年前即已完成。與其他光合生物相比，C. merolae的基因組信息獨特而簡單，20個染色體、16.5 Mbp，辨析出5331個基因，至少86%可表達(dá)（4775個編碼蛋白基因），遺傳冗余度很低，僅有26個基因帶有內(nèi)含子。包含有最小的rRNA基因集，在三個不同的位點上有三個拷貝，產(chǎn)生一個小核仁，沒有核仁相關(guān)染色質(zhì)。由于C. merolae結(jié)構(gòu)和基因組成簡單，它為研究光合作用真核生物的起源和進(jìn)化，以及自由生活的真核細(xì)胞生存所必需的基本機(jī)制提供了極好的模型。
C. merolae的線粒體基因組大小為32.2kb， 包含35個編碼蛋白的基因和28個RNA基因，為已知紅藻種類中最大的線粒體基因組；紅藻的葉綠體基因組為光合作用真核物種里基因最豐富的類群，C. merola葉綠體基因組中含234個基因，其中208個基因編碼蛋白。
G. sulphuraria 的全基因組測序啟動于2004年，基因組僅15 Mbp，42條染色體，大約50%的基因帶有內(nèi)含子，顯示典型的剪接體特征。與C. merolae相比，有30%的基因不具同源性，差異驗證了這兩種藻的深度分化，以適應(yīng)不同的極端環(huán)境。
另有研究發(fā)現(xiàn)，G. sulphuraria中約5%的基因是通過水平基因轉(zhuǎn)移從古細(xì)菌中獲得的。這些基因直接與G . sulphuraria適應(yīng)其自然棲息地嚴(yán)酷條件如高溫、低pH值和高濃度的鹽和金屬等環(huán)境的各個形狀相關(guān)。
（三）異養(yǎng)特性
G. sulphuraria具有異養(yǎng)營養(yǎng)的能力，可以利用包括各種單糖、糖醇、有機(jī)酸和氨基酸等物質(zhì)的幾十種（50+）有機(jī)碳源異養(yǎng)培養(yǎng)或兼性營養(yǎng)，它能耐受濃度高達(dá)166 g/L的葡萄糖和果糖、22 g/L (0.17 M)的硫酸銨、1-2 M的總鹽濃度、pH值小于1，在連續(xù)補(bǔ)料培養(yǎng)的情況下，生物量可達(dá)80-110 g /L（藻藍(lán)蛋白含量為250/400 mg /L）。（Schmidt et al.，2005），還有一個生產(chǎn)優(yōu)勢是，前述的發(fā)酵參數(shù)可以很大程度上杜絕其他菌種的污染，降低生產(chǎn)難度。
圖10. 光養(yǎng)和異養(yǎng)條件下，G.sulphuraria細(xì)胞形態(tài)，以200mM濃度葡萄糖為碳源進(jìn)行無光異養(yǎng)，細(xì)胞的綠色消失。
圖11. 光養(yǎng)（A）和異養(yǎng)（B）條件下G. sulphuraria 細(xì)胞電鏡照片，可以觀察到異養(yǎng)條件下葉綠體（CP）的缺失，轉(zhuǎn)化為前質(zhì)體，并出現(xiàn)個大液泡（V），（Martínez García, 2017）
G. sulphuraria在“光照+有機(jī)碳源”的方式下，在室外以板框式反應(yīng)器（光程10cm）為養(yǎng)殖裝置，設(shè)置pH=2.5，利用蔗糖為碳源進(jìn)行兼養(yǎng)，指數(shù)階段生物量增長速度可以達(dá)到1g/L/天。
圖12.亞利桑那州立大學(xué)進(jìn)行的G. sulphuraria室外培養(yǎng)實驗。
C. merolae的異養(yǎng)生長速度大幅度低于G.sulphuraria，研究發(fā)現(xiàn)兩種藻的糖代謝酶譜驚人的相似，并不是缺乏糖代謝相關(guān)的酶導(dǎo)致C. merolae無法利用有機(jī)碳源進(jìn)行異養(yǎng)或兼養(yǎng)，而是在于G. sulphuraria基因組編碼了更多的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)攝取各種碳源，隨后用于異養(yǎng)生長。而C. merolae沒有這些糖的吸收系統(tǒng)，必須完全依靠光合作用活動來生存。因此研究人員將G. sulphuraria中的一個糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因注入到C. merolae，后者也體現(xiàn)了優(yōu)良的異養(yǎng)生長能力。
C. merolae的細(xì)胞壁非常薄或者無，一方面容易進(jìn)行基因改造，另一方面可以利用滲透壓變化進(jìn)行簡單有效的細(xì)胞提取，因而在生物合成學(xué)領(lǐng)域或許為一個良好的底盤藻株。
- 應(yīng)用領(lǐng)域
（一）模式生物與先鋒生物
本身作為先驅(qū)真核細(xì)胞——“嗜極藻”， 它們所處的惡劣環(huán)境可能類似于地球上最初的情況，是研究地球生命起源和演化的材料：例如諸多惡劣條件適應(yīng)的問題、內(nèi)共生/細(xì)胞器、有機(jī)大分子演化等真核細(xì)胞的起源相關(guān)的問題等等?；蚪M小而簡單，容易進(jìn)行轉(zhuǎn)基因或基因編輯操作，適合作為研究基因功能的材料。同時它又是一種開拓?zé)o生命區(qū)域的先鋒生物，也是構(gòu)建先鋒生物所需的耐酸、耐高溫、耐高鹽等基因資源的有效而豐富庫藏。
圖13. 位于冰島東南部Hekla的Landmannalaugar（蘭德曼納勞卡高地），為歐洲著名的溫泉區(qū)域。該處分離得到的為G. sulphararia和G. maxima。
（二）環(huán)保
青綠藻目生活在各種各樣的環(huán)境中，包括熱硫磺泉、溪流、 泥、巖壁、巖石內(nèi)等棲息地等。
因此，該類藻多有耐受高濃度二氧化碳能力（G. sulphuraria，10%），且有很高酸性的耐受能力，可以用來解決含有SOx 和NOx 的煙道氣生物凈化。
圖14. 黃石國家公園中的青綠藻藻苔。(a)諾里斯間歇泉盆地（Norris Geyser Basin）龍泉（Dragon Spring）里狹窄的綠色藻帶。(b)位于圓形劇場溫泉地區(qū)（Amphitheater Springs area）的檸檬溪（Lemonade Creek）里的藻苔。
C．caldarium可以耐受高達(dá)200mM濃度的鋁離子。
尤其如G. sulphuraria，自養(yǎng)/異養(yǎng)/兼養(yǎng)皆可，且可利用碳源廣泛，具有耐高溫/強(qiáng)酸/高鹽/有毒重金屬的特性，因此具有良好的廢水處理能力，研究發(fā)現(xiàn)在 大型戶外生物反應(yīng)器中，該藻對城市污水中氨氮(88.3%)和磷酸鹽(95.5%)的去除效果非常好。此外，許多元素，包括金、鈀、鉑等貴金屬以及鑭系元素（稀土元素），可以被該藻在很低的元素濃度下并有諸多不利理化條件（強(qiáng)酸/有毒重金屬如鎘、汞、鋁和鎳，放射性元素銫等）的情況下實現(xiàn)有效的生物吸附，甚至可以直接從礦渣等固體上實現(xiàn)生物吸附，因而可以用于生物采礦。
圖15. 新墨西哥州州立大學(xué)以G. sulphuraria為材料，進(jìn)行消減污水N、P的研究
?í?ková 等（2020）將節(jié)能燈（CFL）和熒光燈（FL）內(nèi)的發(fā)光材料添加至G. phlegrea的培養(yǎng)液中，以甘油為碳源進(jìn)行光照培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該藻能富集發(fā)光材料中的稀土元素，積累最多的元素是釔，其次是銪和鑭，而且在適宜濃度下，發(fā)光材料還能在增加藻體中的葉綠素含量（見下圖）。
圖16. G. phlegrea，利用實驗光反應(yīng)器（立管）為裝置，添加1%甘油進(jìn)行兼養(yǎng)，發(fā)光物質(zhì)添加量分別為100/200/300mg/L，上圖為培養(yǎng)2天的情況，下圖為培養(yǎng)5天的結(jié)果，
總體而言，該領(lǐng)域的應(yīng)用可推廣至廢物/廢水處理，金屬回收行，生物修復(fù)等行業(yè)。
（三）活性物質(zhì)與食品/醫(yī)藥開發(fā)
（1）食品應(yīng)用
以G. sulphuraria為例。G. sulphuraria食用的安全性已經(jīng)得到實驗驗證（Graziani et al., 2013，Modeste et al., 2019），其富含藻藍(lán)蛋白的提取物已經(jīng)通過美國FDA的GRAS認(rèn)證（GRAS Notice (GRN) No. 1000，2021）。G. sulphuraria細(xì)胞中富含蛋白質(zhì)(26-32%)和多糖(63-69%)，脂質(zhì)含量較低，在異養(yǎng)條件下，脂質(zhì)部分主要含有單不飽和脂肪酸。色素類物質(zhì)以藻藍(lán)蛋白為主，光養(yǎng)或異養(yǎng)均有，光養(yǎng)條件下以別藻藍(lán)蛋白（allophycocyanin）為主，異養(yǎng)條件下以藻藍(lán)蛋白（phycocyanin）為主，在光養(yǎng)的條件下還有葉綠素a和類胡蘿卜素可檢測到。
G. sulphuraria作為食品原料的優(yōu)勢在于：第一，可以利用甘油的低價碳源為生產(chǎn)原料進(jìn)行高密度發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)酵的污染控制難度低；第二，雖然該藻中的蛋白和多糖結(jié)合緊密，不易消化，但是已經(jīng)有相應(yīng)的酶制劑可以解決這個問題，成為蛋白和膳食纖維的優(yōu)質(zhì)原料；第三，發(fā)酵條件下葉綠素含量低、脂肪含量低，延長了產(chǎn)品貨架期（變色、脂肪氧化導(dǎo)致腥味臭味）。
圖17. 美國FDA關(guān)于G. sulphuraria提取物的安全性備案
（2）多糖
多糖是紅藻的一個非常有特點的產(chǎn)物。如大型紅藻麒麟菜生產(chǎn)的卡拉膠，作為膠凝劑和增稠劑廣泛應(yīng)用于各種食品中，卡帕藻的多糖提取物應(yīng)用于多種化妝品，如單細(xì)胞紅藻紫球藻的多糖，更具有諸多生物活性作用。
Floridean starch（佛羅里達(dá)淀粉或者紅藻淀粉）是紅藻合成的能量儲存多糖的名稱，它名字來源于分類學(xué)名詞Florideophyceae，紅藻淀粉與其他植物淀粉的區(qū)別在于，它的合成和存儲發(fā)生在細(xì)胞的胞漿中，并以UDP葡萄糖為供體，而其他植物淀粉或糖原相應(yīng)的部位在質(zhì)體中，且以ADP葡萄糖為供體。紅藻中多數(shù)種類的紅藻淀粉為支鏈淀粉，而在C. merolae中的紅藻淀粉稱為半支鏈淀粉（semi-amylopectin），因長鏈 (DP≥37)和短鏈(DP≤8)的比例而決定。這種半支鏈淀粉葡聚糖以低結(jié)晶度的小顆粒的形式儲存，不含直鏈淀粉，與其他紅藻相比顯示出更高的糊化溫度，推測作用為C. merolae居住在高溫環(huán)境中提供顆粒穩(wěn)定性的優(yōu)勢。
C. merolae作為最原始的青綠藻目物種，也是所有光合作用真核生物中最原始的物種——積累半支鏈淀粉的事實支持了紅藻、綠藻和植物的單一共同祖先最初在細(xì)胞質(zhì)中積累淀粉作為存儲多糖的假設(shè)。之后，由于環(huán)境的壓力，C. caldarium和G. sulphuraria的存儲多糖已經(jīng)變化為糖原，這兩個屬的多糖也類似前者，不形成不溶性結(jié)晶顆粒。
G. sulphuraria糖原的鏈長分布具有非常顯著的特征，其中DP 4-10鏈占多數(shù)，DP值為9的鏈最為豐富，DP≥15的鏈幾乎不存在。在異養(yǎng)（以甘油為碳源）的條件下合成的糖原，是迄今為止報道的支化程度最高的糖原，具有18%的α-(1 / 6)鍵，而且它只由短鏈組成，分子量和粒徑小得多。另有報道，同屬的G. maxima也可以合成高度分支的糖原。高度分支的糖原對于藻體的作用有可能是幫助細(xì)胞耐受高滲透壓，另外高支化糖原的降解率低，可以使細(xì)胞在很長一段時間內(nèi)保持能量供應(yīng)，尤其是對應(yīng)G. sulphuraria能夠在完全黑暗的環(huán)境中存活很長時間的特性。
圖18. 佛羅里達(dá)苷/甘油半乳糖苷（2-O-α-D-galactopyranosylglycerol）和甘油葡萄糖苷（2-O-α-D-glucopyranosylglycerol），注意佛羅里達(dá)苷與甘油葡萄糖苷在分子構(gòu)象上的差異，佛羅里達(dá)苷是紅藻光合作用的主要產(chǎn)物，佛羅里達(dá)苷是紅藻為動態(tài)碳庫，在同化為多糖分子（淀粉/糖原/細(xì)胞壁多糖）之前被暫時存儲。
C. merolae和G. sulphuraria生產(chǎn)的這類多糖或者衍生物（高支化糖原、佛羅里達(dá)苷/甘油半乳糖苷）有其商業(yè)利用價值，如已經(jīng)有利用其他原料（玉米淀粉）合成類似結(jié)構(gòu)的多糖應(yīng)用于腹膜透析溶液（美國Baxter Healthcare公司）和以及作為運(yùn)動飲料/食品（日本Glico公司）。另外還有些相類似多糖的衍生物用于食品、藥物、化妝品或環(huán)保材料開發(fā)的研究，在此不贅述。結(jié)合發(fā)酵技術(shù)，利用青綠藻生產(chǎn)高支鏈糖原/淀粉，不失為一種廉價的和高效的生產(chǎn)方法，并可在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的淀粉原料。
（3）藻藍(lán)蛋白
在本系列前一篇中，已經(jīng)有過關(guān)于螺旋藻藻藍(lán)蛋白的敘述。青綠藻目中，同樣含有藻藍(lán)蛋白。
G. sulphuraria在跑道池培養(yǎng)，干重可達(dá)到2.37 g/L，藻藍(lán)蛋白含量可達(dá)到10%以上（Wang et al., 2020）；G. sulphuraria在黑暗環(huán)境下發(fā)酵培養(yǎng)依然能夠產(chǎn)生藻藍(lán)蛋白，無光異養(yǎng)的情況下，用限碳供氮的方法，G. sulphuraria中藻藍(lán)蛋白的含量可以達(dá)到8-12mg/g，以80μM ㎡/s 光量子密度處理甘油培養(yǎng)的細(xì)胞，藻藍(lán)蛋白含量可以提升到20mg/g，更有實驗處理可以達(dá)到28 mg/g（Sloth et al., 2005）。利用發(fā)酵罐培養(yǎng)作為種子液，再經(jīng)過室外培養(yǎng)，可以達(dá)到13%的藻藍(lán)蛋白含量（Wan et al., 2016）。
Graverholt & Eriksen（2007）的利用一株高色素變異株為研究材料，發(fā)現(xiàn)在補(bǔ)料培養(yǎng)的條件下，不僅生物量可以達(dá)到80-110g/L，培養(yǎng)液中藻藍(lán)蛋白的含量可以達(dá)到1.4-2.9g / L，產(chǎn)率為0.5 -0.9 g/L/天，這是一個相當(dāng)高的產(chǎn)率，雖然在含量上低于螺旋藻，增加了提取的成本，但是考慮到原料生產(chǎn)的穩(wěn)定性，依然很大的商業(yè)優(yōu)勢存在。
G. sulphuraria中提取的藻藍(lán)蛋白，變現(xiàn)為在寬pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定，在pH值5-7之間達(dá)到80℃依然不變性，經(jīng)細(xì)胞水平驗證，具有抗癌和抗氧化的活性，即使經(jīng)過高溫處理蛋白變性后，依然具有相應(yīng)的生物活性。
圖19. 不同pH值下，G. sulphuraria藻藍(lán)蛋白的顯色情況，脫色主要原因為發(fā)色團(tuán)脫落（Ferrar et al., 2018）
另有研究發(fā)現(xiàn)，從C. merolae中提取獲得的藻藍(lán)蛋白具有更好的耐光輻射和耐熱性。耐熱實驗中， pH=5條件下的（蛋白）變性中點為83℃，而來自螺旋藻的藻藍(lán)蛋白僅為65℃。耐酸和耐高溫等屬性使得青綠藻來源的在食品或者其他領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢。
世界香料香精巨頭奇華頓旗下的DDW公司是一家總部位于美國肯塔基州的天然色素公司，在行業(yè)內(nèi)有相當(dāng)?shù)闹?。近期DDW和法國Fermentalg公司合作，正在研發(fā)一款從發(fā)酵的G. sulphuraria中提取生產(chǎn)的藻藍(lán)蛋白產(chǎn)品BLUE ORIGINS??，產(chǎn)品的品質(zhì)在沾染、揚(yáng)撒、溶解性、耐熱、耐光輻射和耐酸（2.8-7.0）方面等多個方面優(yōu)于螺旋藻來源的產(chǎn)品。
圖20. DDW公司從發(fā)酵G. sulphuraria中提取的藻藍(lán)蛋白產(chǎn)品。
（4）醫(yī)藥
Carfagna等（2015）在大鼠日糧中添加G. sulphuraria，發(fā)現(xiàn)該藻具有減少運(yùn)動相關(guān)的氧化損傷和線粒體功能障礙的功效，并對其他如甲狀腺功能亢進(jìn)、慢性炎癥和缺血/再灌注等癥狀導(dǎo)致的氧化應(yīng)激有改善效果，推測可能與G. sulphuraria含有較豐富的藻藍(lán)蛋白和含硫谷胱甘肽相關(guān)。
Bimonte等（2016）的研究發(fā)現(xiàn)G. sulphuraria的水提物具有抑制5-α還原酶的功能，并能誘導(dǎo)β-防御素的表達(dá)（抗菌），促進(jìn)（皮膚細(xì)胞的）傷口愈合過程。通過人體臨床實驗，證實了其調(diào)節(jié)皮脂生產(chǎn)的能力，因而具有開發(fā)為化妝品的潛力，尤其是針對油性和脂溢性皮膚的產(chǎn)品。
（5）其他
?al??kan等（2019）利用Galdieria藻對金屬的吸附效益，以異養(yǎng)培養(yǎng)的Galdieria. sp制備了銀、鐵(II)和鋅納米顆粒，并檢測了這些納米顆粒對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的抗菌活性。研究發(fā)現(xiàn)了制備過程中與微藻培養(yǎng)相關(guān)的多個參數(shù)對納米顆粒的形成有重大影響。
圖21. 利用Galdieria制備的納米銀顆粒對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都表現(xiàn)后抗菌活性。
- 結(jié)語
以本文所述的三個屬為關(guān)鍵詞，NCBI庫中六十年來文獻(xiàn)總數(shù)600多篇，近幾年處于高峰期，但每年數(shù)量也沒有超過40篇，可以說這么多年青綠藻這個門類一直被主流忽略。
青綠藻單純在種質(zhì)資源收集上就有很大空間，還有諸多的火山、溫泉等區(qū)域未經(jīng)調(diào)查，種株特性上了解更加少，更不用談一些細(xì)致深入的遺傳、生理生化和開發(fā)應(yīng)用的問題。
在科學(xué)意義的層面：作為最原始的真核細(xì)胞和“嗜極”生物，是一類難得的研究生命起源和地球歷史的研究材料，也是人類挑戰(zhàn)“星辰大?！钡纳锖瓦z傳信息資源。
在生產(chǎn)生活領(lǐng)域：優(yōu)越的環(huán)境耐受性、培養(yǎng)的可操作性與所含的生物活性物質(zhì)，在環(huán)保和食品醫(yī)藥等多個領(lǐng)域有發(fā)揮的空間。
以我個人的觀點，這么好的東西，怎么沒人去折騰呢？
俞建中博士系列藻類科普文章《光語帶你認(rèn)識微藻》第一輯鏈接：
光語帶你認(rèn)識微藻 第二篇——微藻的商業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用
光語帶你認(rèn)識微藻 第三篇——微藻培養(yǎng)簡介
光語帶你認(rèn)識微藻 第八篇——地木耳、發(fā)菜和葛仙米
光語帶你認(rèn)識微藻 第十篇——裸藻（Euglena）
俞建中博士系列藻類科普文章《光語帶你認(rèn)識微藻》第二輯鏈接：
光語帶你認(rèn)識微藻（第二輯） 第一篇 共生藻之蟲黃藻
光語帶你認(rèn)識微藻（第二輯） 第二篇 顆石藻（Coccolithophores）