我國科學(xué)家在產(chǎn)油海洋微擬球藻中發(fā)現(xiàn)一種碳匯的新分子

微擬球藻是一類屬于真眼點(diǎn)藻綱、球形或近似球形的單細(xì)胞真核生物。與其他真核微藻顯著不同的是，該屬的種類除葉綠素a外，并不含有其他類型的葉綠素。目前，該屬有7個(gè)已定種。它們具有較高的光合作用效率、生物量和油脂（三酰甘油，TAG）含量，富含二十碳五烯酸（EPA），是工業(yè)化生產(chǎn)EPA的優(yōu)質(zhì)原料，也是魚類幼體和輪形動(dòng)物的餌料，已被批準(zhǔn)作為人類新食品的原料。近年來，由于基因組序列的公布及遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立，該屬的種類已成為具有潛力的工業(yè)產(chǎn)油模式研究藻種。

中國科學(xué)院水生生物研究所研究員胡晗華團(tuán)隊(duì)保存有該屬的所有種類及眾多株系，十多年來以這些藻株為對(duì)象開展了系列基礎(chǔ)研究。研究人員首先在所有6個(gè)海洋種類中建立起了基于PCR產(chǎn)物的高效遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（Bioscience， Biotechnology， and Biochemistry， 2014）及基于RNA干擾的基因敲降體系（Plant Journal， 2017），并通過多年努力在該屬中唯一的一個(gè)淡水藻——湖泊微擬球藻中利用化學(xué)預(yù)處理的方式實(shí)現(xiàn)了基于電穿孔的高效遺傳轉(zhuǎn)化（World Journal of Microbiology and Biotechnology， 2019）。

海洋微擬球藻（N. oceanica）是該屬中常用的一個(gè)模式產(chǎn)油藻種，其高油含量與基因組中含有多達(dá)13個(gè)參與TAG合成的二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶（DGAT）有關(guān)。此外，其基因組還編碼一個(gè)磷脂——二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶（PDAT），也能催化合成TAG。與DGAT以酰基輔酶A作為酰基供體不同，PDAT通常依賴極性脂作為?；w合成TAG。對(duì)酵母、萊茵衣藻和擬南芥等模式生物的研究表明，細(xì)胞內(nèi)PDAT和DGAT的功能在進(jìn)化上可能是保守的，PDAT主要在非脅迫下起作用，而DGAT在脅迫下起作用。

近日，該課題組以海洋微擬球藻為對(duì)象，揭示了PDAT在調(diào)控脂質(zhì)代謝、匯集細(xì)胞內(nèi)碳流方面的重要作用，并發(fā)現(xiàn)在脅迫條件下細(xì)胞合成一種用于替代TAG的新的碳儲(chǔ)存分子——低不飽和?；字Ｒ掖及??；谙到y(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，微擬球藻PDAT（NoPDAT）與其他光合生物的PDAT存在較遠(yuǎn)的親緣關(guān)系，精細(xì)定位發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)定于葉綠體最外一層膜——葉綠體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（二次內(nèi)共生中來自寄主內(nèi)膜），暗示NoPDAT與其他光合生物可能在功能上存在差異。對(duì)NoPDAT過量表達(dá)、敲降藻株的表型分析發(fā)現(xiàn)，NoPDAT對(duì)細(xì)胞內(nèi)TAG積累的貢獻(xiàn)至少占30%，其功能缺失沒有引發(fā)調(diào)控任一DGAT的補(bǔ)償機(jī)制。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，NoPDAT的突變導(dǎo)致了細(xì)胞內(nèi)一類新的磷脂酰乙醇胺（PE）大量積累，這類特殊的PE與細(xì)胞內(nèi)富含多不飽和脂肪酸（C20∶4和C20∶5）的功能性PE不同，它們的脂?；荂16∶0、C16∶1或C18∶1等低不飽和脂肪酸，特稱為“LU-PE”。細(xì)胞內(nèi)LU-PE的含量還與培養(yǎng)的CO2濃度顯著正相關(guān)。過量表達(dá)或/和敲降與PE合成和降解路徑所有相關(guān)基因均檢測不到LU-PE的積累，提示LU-PE的積累可能僅受NoPDAT調(diào)控。此外，NoPDAT突變還激活細(xì)胞合成縮醛磷脂（PME），其含量也與CO2濃度顯著正相關(guān)。結(jié)果表明，NoPDAT突變導(dǎo)致的TAG合成受阻，將使得細(xì)胞內(nèi)的碳流向LU-PE及縮醛磷脂，尤其在高濃度CO2條件下，LU-PE將替代TAG成為細(xì)胞內(nèi)主要的碳匯。

縮醛磷脂是存在于幾乎所有人類組織的特殊醚磷脂，在大腦里含量最高，縮醛磷脂不足與阿爾茨海默病等老年疾病有密切關(guān)聯(lián)。已有研究認(rèn)為光合生物不能合成該磷脂。該研究為實(shí)現(xiàn)使用微藻商業(yè)化生產(chǎn)縮醛磷脂提供可能途徑，目前已被授權(quán)一項(xiàng)題為“一種可提高微藻縮醛磷脂含量的方法及RNA干擾片段”的發(fā)明專利。

相關(guān)研究成果以PDAT regulates PE as transient carbon sink alternative to triacylglycerol in Nannochloropsis為題，發(fā)表在Plant Physiology雜志上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和重大研究計(jì)劃等的資助。

（來源：中國科學(xué)院水生生物研究所）