萊茵衣藻高細胞生長密度HCD基因的功能分析

《萊茵衣藻高細胞生長密度HCD基因的功能分析》是依託浙江海洋大學，由劉建華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：萊茵衣藻高細胞生長密度HCD基因的功能分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉建華
• 依託單位：浙江海洋大學

項目摘要

綠色微藻被認為是未來的生物燃料來源之一，但由於目前光合自養細胞密度過低，微藻能源缺乏競爭力。所以，增加微藻自養生物量是提高微藻能源競爭力的必要條件。 科學家發現，萊茵衣藻的光吸收體變小可以在強光下增加光利用率從而提高生物量。但是，大規模強光養殖投入大，且維護成本高。為了在普通持續光照下提高自養生物量，我們通過連續傳代培養含上千個插入突變子的混合衣藻溶液，分離出三株高細胞密度HCD突變體，它們的生物量比野生型高約40%，增加光照後的生物量比野生型高達100%，高細胞密度不影響氮飢餓誘導的油脂積累，其中一株呈類似WEE的小細胞表型，說明降低細胞分裂體積閾值有利於增加細胞生物量。本項目擬通過分析突變子的能量代謝活性和細胞周期調控，找出協調兩者的調控因子，闡明HCD基因增加衣藻生物量的分子機制。微藻能源研究通常以提高能量代謝為主，但它受細胞周期調控，所以我們的研究將為提高微藻能源生產提供新的途徑。

結題摘要

綠色微藻是潛在的生產生物能源的細胞工廠。細胞工廠藻株應該是具有高細胞生長密度、高油脂含量、高抵逆能力的。本項目以連續傳代篩選出來的三株模式萊茵衣藻高細胞密度HCD插入突變子為對象，研究HCD的插入位點及其受影響的基因功能。一株HCD2插入編碼區，RNA干擾沉默獲得表型拷貝。不過，另兩株HCD1和HCD3插入位點在非編碼區，比鄰基因的干擾或過表達都沒能拷貝表型，失去了進一步分析的依據。為此，我們新添了研究富油微擬球藻在缺氮磷應激過程中油脂的代謝流向和積累位點及其分析無壁杜氏鹽藻在鎘脅迫應激過程中活性氧和抗氧化分子合成途徑的內容。HCD1和HCD3的表型似乎與線粒體體積增加有關，HCD2的線粒體體積則與野生型相似，但ATP含量明顯增加，這些結果說明細胞密度受多渠道調控。微藻中性油脂含量通常在細胞生長受阻時增加，在內質網膜或葉綠體膜積累。由於位點特異同工酶的分析較少，使得轉錄組分析無法有效分辨油脂積累的位點。我們通過脂質組與轉錄組協同分析，根據中性油脂甘油骨架sn2位點的脂肪酸碳鏈長度，明確了缺氮磷誘導的微擬球藻中性油脂主要在葉綠體積累，少量在細胞質。杜氏鹽藻沒有細胞壁，是研究環境脅迫應激反應的模式物種。通過代謝組結合轉錄組分析，我們發現杜氏鹽藻在鎘的長期脅迫下，一些氧化反應的產物大量積累，比如腺苷在氧化後生成過氧化氫和5’-脫氫腺苷含量，後者在所有代謝物中增量最大，為研究鎘脅迫應激反應機制提供了新的途徑。同時，谷胱甘肽等抗氧化劑含量也明顯增加，以抵禦和修復活性氧的侵蝕。因為非質粒CAS9核蛋白的基因編輯技術日趨成熟，使得非模式生物基因修飾與模式生物相差無幾，我們的結果為提高葉綠體油脂積累和阻斷鎘誘導的活性氧合成提供了靶標，加快細胞工廠藻株的構建，保證國家能源安全。