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(huán)境中的CO2和水中的無機碳及小分子有機碳轉(zhuǎn)化為自身生長繁殖的碳源。目前在生物能源，天然產(chǎn)物生產(chǎn)方面有著廣闊的前景。隨著各種遺傳操作手段的發(fā)展，利用微藻作為底盤細(xì)胞進(jìn)行合成生物學(xué)改造也逐漸開展。
但是微藻在規(guī)?；呐囵B(yǎng)過程中，尤其是室外高溫高光的條件下，通常會導(dǎo)致微藻細(xì)胞中活性氧（ROS）和光呼吸的過量產(chǎn)生，從而導(dǎo)致細(xì)胞生長速度降低。作為單細(xì)胞光合生物，細(xì)胞自身的放氧水平與細(xì)胞狀態(tài)和環(huán)境影響息息相關(guān)，如何調(diào)控細(xì)胞內(nèi)外的氧含量水平，對于微藻養(yǎng)殖有著重要的作用。
近期，青島能源所的李福利研究員帶領(lǐng)的分子微生物工程研究組，針對光合單細(xì)胞微藻細(xì)胞內(nèi)氧水平調(diào)節(jié)，首次將外源透明顫菌血紅蛋白基因（Vitreoscilla hemoglobin gene，vgb）轉(zhuǎn)入微擬球藻（Nannochloropsis.oceanica）細(xì)胞中。透明顫菌血紅蛋白能夠在高氧水平下結(jié)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(dǎo)表達(dá)后，能夠使其在細(xì)胞快速放氧階段結(jié)合部分氧分子，從而降低了在光過飽和階段細(xì)胞內(nèi)氧水平，調(diào)控了細(xì)胞內(nèi)的氧平衡，從而減少了對細(xì)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(zhuǎn)化株與野生型藻株相比，其生物量提高了7.4%~18.5%，最佳轉(zhuǎn)化株中EPA含量提高了21.0%。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)化株細(xì)胞內(nèi)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(zhuǎn)化株光呼吸水平降低。并且光呼吸途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因的表達(dá)水平比野生型低80%以上。此項工作的研究表明，在光合單細(xì)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(diào)節(jié)光呼吸，改善微藻的生長，這為藻株的工業(yè)應(yīng)用提供了良好的藻種與技術(shù)支持。該工作近期發(fā)表于Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology。
圖1 表達(dá)透明顫菌血紅蛋白的微擬球藻細(xì)胞內(nèi)氧分布和調(diào)節(jié)示意圖
此外，該團隊還圍繞微藻種質(zhì)資源和天然產(chǎn)物生產(chǎn)進(jìn)行了大量的研究，前期通過同中國科學(xué)院近代物理研究所合作進(jìn)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(chǎn)物——巖藻黃質(zhì)（Fucoxanthin）。巖藻黃質(zhì)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(zhì)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(zhì)檢測方法，開發(fā)了使用分光光度計算法替代傳統(tǒng)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(nèi)即可完成對樣品中巖藻黃質(zhì)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(jìn)一步使用流式細(xì)胞技術(shù)對于突變株中巖藻黃質(zhì)含量進(jìn)行高通量篩選研究，引入了488 nm的激發(fā)光來分析三角褐指藻的發(fā)射熒光。在710 nm處觀察到一個獨特的光譜峰，并發(fā)現(xiàn)巖藻黃質(zhì)含量與該處的平均熒光強度之間存在線性相關(guān)性。通過流式細(xì)胞術(shù)來篩選由重離子輻射產(chǎn)生的高巖藻黃質(zhì)含量的突變體，培養(yǎng)20天后，分選得到的細(xì)胞的巖藻黃質(zhì)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(chǎn)巖藻黃質(zhì)的突變體。該工作近期發(fā)表于Marine Drugs。
圖2 使用流式細(xì)胞技術(shù)對三角褐指藻進(jìn)行分選，篩選高含巖藻黃質(zhì)的突變株并驗證
該工作由分子微生物工程研究組李福利研究員主持完成，得到了中國科學(xué)院大學(xué)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(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。（文/圖 范勇 丁曉婷）
原文鏈接：
Ding, X.-T.; Fan, Y., Jiang; E.-Y., Shi, X.-Y.; EikeKrautter; Hu, G.-R.; Li, F.-L*. Expression of the Vitreoscilla hemoglobin gene in Nannochloropsis oceanica regulates intracellular oxygen balance under high-light, Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology (2021), https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2021.112237
Fan, Y.; Ding, X.-T.; Wang, L.-J.; Jiang, E.-Y.; Van, P.N.; Li, F.-L*. Rapid Sorting of Fucoxanthin-Producing Phaeodactylum tricornutum Mutants by Flow Cytometry. Marine Drugs, (2021), 19, 228. https://doi.org/10.3390/md19040228
