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    科研進展

    水生所在產油海洋微擬球藻中發現一種碳匯的新分子

    發表日期:2022-04-26潘玉芳來源:水生生物研究所放大 縮小

      微擬球藻(Nannochloropsis)是一類屬于真眼點藻綱(Eustigmatophyceae)、球形或近似球形的單細胞真核生物。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 個已定種(N. gaditana、N. salina、N. oculata、N. oceanica、N. australis、N. granulataN. limnetica,最新的分類系統已將前兩個種歸至Microchloropsis屬)。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),是工業化生產EPA 的優質原料,也是魚類幼體和輪蟲的餌料,已被批準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化體系的建立,該屬的種類已成為最具潛力的工業產油模式研究藻種。 

      中國科學院水生生物研究所胡晗華研究員團隊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象開展了系列基礎研究。他們首先在所有6個海洋種類中建立起了基于PCR產物的高效遺傳轉化系統(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淡水藻——湖泊微擬球藻(N. limnetica)中利用化學預處理的方式實現了基于電穿孔的高效遺傳轉化(World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2019)。 

      海洋微擬球藻(N. oceanica)是該屬中最為常用的一個模式產油藻種,它的高油含量與基因組中含有多達13個參與TAG合成的二酰甘油?;D移酶(DGAT)有關;此外,它的基因組還編碼一個磷脂:二酰甘油?;D移酶(PDAT),也能催化合成TAG。與DGAT以?;o酶A作為?;w不同,PDAT通常依賴極性脂作為?;w合成TAG。對酵母、萊茵衣藻和擬南芥等模式生物的研究表明,細胞內PDATDGAT的功能在進化上可能是保守的,PDAT主要在非脅迫下起作用,而DGAT在脅迫下起作用。海洋微擬球藻含有分別在脅迫和非脅迫下起作用的DGAT,它的PDAT在脂質調控方面扮演什么角色呢? 

      近日,該課題組以海洋微擬球藻為對象,揭示了PDAT在調控脂質代謝、匯集細胞內碳流方面的重要作用,并發現在脅迫條件下細胞合成一種用于替代TAG的新的碳儲存分子——低不飽和?;字R掖及??;谙到y進化分析發現,微擬球藻PDATNoPDAT)與其他光合生物的PDAT存在較遠的親緣關系,精細定位發現該蛋白質定于葉綠體最外一層膜——葉綠體內質網膜(二次內共生中來自于寄主內膜),也暗示NoPDAT與其他光合生物可能在功能上存在差異。通過對NoPDAT過量表達、敲降藻株的表型分析發現,NoPDAT對細胞內TAG積累的貢獻至少占30%(圖1),并且其功能的缺失并沒有引發調控任一DGAT的補償機制。 

    1NoPDAT細胞定位(A,綠色和紅色熒光分別為NoPDAT-eGFP融合表達蛋白與葉綠體信號)、NoPDAT敲降導致的中性脂減少(B)及總脂肪酸(TFA)和TAG含量變化(C 

      研究人員還發現,NoPDAT的突變導致了細胞內一類新的磷脂酰乙醇胺(PE)的大量積累,這類特殊的PE與細胞內富含多不飽和脂肪酸(C20:4C20:5)的功能性PE不同,它們的脂?;?/span>C16:0、C16:1C18:1等低不飽和脂肪酸,特稱為“LU-PE”。細胞內LU-PE的含量還與培養的CO2濃度顯著正相關。過量表達或/和敲降與PE合成和降解路徑所有相關基因均檢測不到LU-PE的積累,提示LU-PE的積累可能僅受NoPDAT調控。此外,NoPDAT突變還激活細胞合成縮醛磷脂(PME),其含量也與CO2濃度顯著正相關。這些結果表明,NoPDAT突變導致的TAG合成受阻,將使得細胞內的碳流向LU-PE及縮醛磷脂,尤其在高濃度CO2條件下LU-PE將替代TAG成為細胞內主要的碳匯(圖2)。 

       

    2NoPDAT調控海洋微擬球藻細胞脂質代謝的模式圖

      縮醛磷脂是一種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,它的不足與阿爾茨海默癥等老年疾病有著密切的關聯。以前的研究認為光合生物不能合成這種磷脂。該研究的新發現為實現使用微藻商業化生產縮醛磷脂提供一種可能途徑。目前已被授權了一項題為“一種可提高微藻縮醛磷脂含量的方法及RNA干擾片段”的發明專利。 

      本研究是在胡晗華研究員主持的國家自然科學基金(41976119)和重大研究計劃(91751117)等項目的資助下,主要由水生所的研究人員完成。北京大學、中國農科院油料作物研究所、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學和美國馬里蘭大學的研究人員參與了部分研究工作。相關研究成果以“PDAT regulates PE as transient carbon sink alternative to triacylglycerol in Nannochloropsis”為題發表在Plant Physiology雜志上,文章鏈接為https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac160/6564233?login=true。 

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