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作者:王健高 劉佳 范勇 丁曉婷 來源:科技日報 發布時間:2021/8/3 16:57:22
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我科研團隊在微藻細胞內氧水平調控和高產巖藻黃質藻種篩選方面取得進展

 

8月3日,記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所(以下簡稱“青島能源所”)獲悉,該所李福利研究員帶領的分子微生物工程研究組,在微藻細胞內氧水平調控和高產巖藻黃質藻種篩選方面取得進展。該工作由李福利主持完成,得到了中國科學院大學近代物理研究所李文建研究員的幫助,并獲得了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。

微藻作為已知的固碳效率最高的光合生物之一,能通過光合作用將環境中的CO2和水中的無機碳及小分子有機碳轉化為自身生長繁殖的碳源。目前在生物能源,天然產物生產方面有著廣闊的前景。李福利表示,隨著各種遺傳操作手段的發展,利用微藻作為底盤細胞進行合成生物學改造也逐漸開展。

但是微藻在規?;呐囵B過程中,尤其是室外高溫高光的條件下,通常會導致微藻細胞中活性氧(ROS)和光呼吸的過量產生,從而導致細胞生長速度降低。李福利表示,作為單細胞光合生物,細胞自身的放氧水平與細胞狀態和環境影響息息相關,如何調控細胞內外的氧含量水平,對于微藻養殖有著重要的作用。

李福利帶領的分子微生物工程研究組,針對光合單細胞微藻細胞內氧水平調節,首次將外源透明顫菌血紅蛋白基因(Vitreoscilla hemoglobin gene,vgb)轉入微擬球藻(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合部分氧分子,從而降低了在光過飽和階段細胞內氧水平,調控了細胞內的氧平衡,從而減少了對細胞的氧化損傷,同時也降低了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的光呼吸水平。獲取的轉化株與野生型藻株相比,其生物量提高了7.4%~18.5%,最佳轉化株中EPA含量提高了21.0%。相應地,轉化株細胞內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,檢測到轉化株光呼吸水平降低。并且光呼吸途徑相關的關鍵基因的表達水平比野生型低80%以上。此項工作的研究表明,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損傷和調節光呼吸,改善微藻的生長,這為藻株的工業應用提供了良好的藻種與技術支持。該工作近期發表于《光合化學和光合生物學-生物學??罚↗ournal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology)。

李福利介紹,該團隊還圍繞微藻種質資源和天然產物生產進行了大量的研究,前期通過同中國科學院近代物理研究所合作進行重離子輻照海洋硅藻——三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum),獲得了大量突變藻種用以篩選海洋硅藻的天然產物——巖藻黃質(Fucoxanthin)。巖藻黃質廣泛存在于大型海藻和硅藻中,對人體健康具有諸多益處,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的硅藻模式生物。在此前的研究中,李福利研究團隊為了簡化巖藻黃質檢測方法,開發了使用分光光度計算法替代傳統的使用高效液相色譜(HPLC)檢測的方法,使用該方法在3-5分鐘內即可完成對樣品中巖藻黃質含量的檢測和計算,大大提高了研究效率(Marine Drugs, 2018, 16, 33; doi:10.3390/md16010033)。近期,又進一步使用流式細胞技術對于突變株中巖藻黃質含量進行高通量篩選研究,引入了488 nm的激發光來分析三角褐指藻的發射熒光。在710 nm處觀察到一個獨特的光譜峰,并發現巖藻黃質含量與該處的平均熒光強度之間存在線性相關性。通過流式細胞術來篩選由重離子輻射產生的高巖藻黃質含量的突變體,培養20天后,分選得到的細胞的巖藻黃質含量比野生型高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巖藻黃質的突變體。該工作近期發表于《海洋藥物》(Marine Drugs)。

 
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