青島能源所等微藻產(chǎn)油機(jī)制研究取得新成果

自然界中的一些微藻因產(chǎn)油量高、生長速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，并可在邊際土地上用海水或廢水培養(yǎng)，被視作一種重要的新型能源作物，但目前對其高產(chǎn)油的代謝和調(diào)控機(jī)制尚不清楚。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞研究中心領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)率先揭示了分子水平的微藻產(chǎn)油過程動(dòng)態(tài)規(guī)律。相關(guān)成果于4月1日在線發(fā)表于Plant Cell （Li, et al, Plant Cell, 2014）。

該團(tuán)隊(duì)在前期研究中，以微擬球藻為研究模式，揭示了微藻高產(chǎn)油性狀的遺傳基礎(chǔ)和進(jìn)化規(guī)律（Wang, et al, PLoS Genetics, 2014）。但是，分子水平上微藻高效合成甘油三酯（即藻油）這一過程究竟是如何發(fā)生的呢？該核心問題一直缺乏系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。

通過運(yùn)用高精度的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和脂類組學(xué)分析手段，青島能源所單細(xì)胞研究中心博士研究生李敬、王冬梅博士、寧康博士和美國亞利桑那州立大學(xué)韓丹翔博士等考察了微擬球藻缺氮誘導(dǎo)產(chǎn)油過程中從3小時(shí)到48小時(shí)的六個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)下轉(zhuǎn)錄組和脂類代謝組的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，在國際上率先構(gòu)建了野生油藻產(chǎn)油過程動(dòng)態(tài)模型。在氮源缺乏時(shí)，藻細(xì)胞中TAG含量大幅度提高，膜脂含量下降。在轉(zhuǎn)錄水平上，糖酵解、PDHC和PDHC旁路、位于線粒體的三羧酸循環(huán)和氧化等途徑上的相關(guān)基因以及特定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，推動(dòng)碳流由碳水化合物、蛋白及膜脂代謝途徑流向甘油酯合成。在TAG組裝途徑中，位于葉綠體、線粒體和胞質(zhì)等不同細(xì)胞器的7個(gè)DGAT基因，在缺氮時(shí)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，和上游其他上調(diào)基因一起，促進(jìn)大量TAG的合成。該研究闡明的微藻亞細(xì)胞水平時(shí)間和空間上油脂合成代謝的這一雙重調(diào)控機(jī)制，為高產(chǎn)油藻的基因工程育種提供了重要的理論基礎(chǔ)和嶄新的研究思路。

這一首個(gè)分子水平的微藻產(chǎn)油動(dòng)態(tài)模型還進(jìn)一步揭示了微擬球藻等野生高產(chǎn)油藻與低產(chǎn)油的萊茵衣藻等在油脂合成全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式上的區(qū)別。其中，前者具有一型（Type I）脂肪酸合成酶基因，同時(shí)其DGAT基因（催化甘油三酯合成的最后一步）轉(zhuǎn)錄本的絕對豐度比后者多出兩倍。因此前者不僅在DGAT基因的數(shù)目（13個(gè)）上是目前已知藻類和植物基因組中最多的，而且在缺氮和不缺氮條件下均儲備了大量的DGAT轉(zhuǎn)錄本，從而高效支撐油脂的大量積累。

該研究獲得了基金委重大國際合作項(xiàng)目、科技部“973”和中科院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃等支持，由中科院青島能源所單細(xì)胞研究中心研究員徐健與中科院水生生物所微藻生物技術(shù)與生物能源研發(fā)中心研究員胡強(qiáng)共同主持完成。

論文信息：Li, J., Han, D., Wang, D., Ning, K., Jia, J., Wei, L., Jing, X., Huang, S., Chen, J., Li, Y., Hu, Q., Xu, J. (2014). Choreography of Transcriptomes and Lipidomes of Nannochloropsis Reveals the Mechanisms of Oil Synthesis in Microalgae, Plant Cell 10.1105/tpc.113.121418．

微擬球藻在缺氮條件下的產(chǎn)油過程。圖中均為一個(gè)微擬球藻細(xì)胞，時(shí)間代表開始缺氮誘導(dǎo)后的天數(shù)，綠顏色是用Bodipy染料染色的中性脂（其中絕大部分為甘油三酯）。