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和水中的無機碳及小分子有機碳轉(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胞進行合成生物學改造也逐漸開展。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，通常會導致微藻細胞中活性氧（ROS）和光呼吸的過量產(chǎn)生，從而導致細胞生長速度降低。作為單細胞光合生物，細胞自身的放氧水平與細胞狀態(tài)和環(huán)境影響息息相關(guān)，如何調(diào)控細胞內(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胞微藻細胞內(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。引入該基因并誘導表達后，能夠使其在細胞快速放氧階段結(jié)合部分氧分子，從而降低了在光過飽和階段細胞內(nèi)氧水平，調(diào)控了細胞內(nèi)的氧平衡，減少了對細胞的氧化損傷，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%。相應地，轉(zhuǎn)化株細胞內(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)進行了研究，前期通過同中科院近代物理研究所合作進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，研究團隊又進一步使用流式細胞技術(shù)對突變株中巖藻黃質(zhì)含量進行高通量篩選研究，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度之間存在線性相關(guān)性。通過流式細胞術(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基金的支持。
來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所
