近日，中科院海洋所藻類生理過程與精準設(shè)計育種研究團隊在基因編輯技術(shù)創(chuàng)制新種質(zhì)研究方面取得新進展，獲得了抗蟲且油脂含量高的海洋硅藻--三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）新種質(zhì)，相關(guān)研究成果在國際生物技術(shù)領(lǐng)域TOP期刊Biotechnology for Biofuels and Bioproducts上發(fā)表。同時，該團隊利用基因編輯技術(shù)敲除了三角褐指藻的隱花色素基因獲得了高巖藻黃素含量的新種質(zhì)，近期在藻類學(xué)期刊Algal Research上發(fā)表。
三角褐指藻是一種重要的經(jīng)濟微藻，不僅可作為重要的水產(chǎn)餌料，還是一種高值產(chǎn)物的原材料。然而，原生動物的污染已成為三角褐指藻大規(guī)模養(yǎng)殖的主要限制性因子。因此，培育優(yōu)質(zhì)抗蟲的三角褐指藻新種質(zhì)勢在必行。
藻類生理過程與精準設(shè)計育種研究團隊經(jīng)過多年的努力，在三角褐指藻中發(fā)現(xiàn)了一個新基因（Pt2015）（圖1）。該團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)敲除了Pt2015，發(fā)現(xiàn)Pt2015的敲除藻株在細胞形態(tài)和生長速度，與野生型無顯著差異。該團隊發(fā)現(xiàn)Pt2015的過表達可導(dǎo)致三角褐指藻的細胞形態(tài)由梭型向具有特殊空間結(jié)構(gòu)的三出放射型轉(zhuǎn)變，表明Pt2015蛋白是三角褐指藻細胞梭型向三出放射型轉(zhuǎn)變的正向觸發(fā)因子。研究還發(fā)現(xiàn)，由Pt2015過表達導(dǎo)致的三出放射型藻株經(jīng)濟性狀極其穩(wěn)定。該Pt2015過表達藻株呈現(xiàn)立體的三出放射型，對主要敵害動物（阿米巴）表現(xiàn)出明顯的抵抗能力（增強了2倍），同時細胞內(nèi)總脂含量比野生型高約30%（圖2），而且生長速度與野生型無差異。這一基因的發(fā)現(xiàn)以及敲除和過表達藻株的獲得，不僅有助于我們深入認識硅藻細胞形態(tài)轉(zhuǎn)變機制，而且將為三角褐指藻的大規(guī)模培養(yǎng)提供油脂含量高且抗蟲能力強的新種質(zhì)。
三角褐指藻還富含活性物質(zhì)如EPA，DHA和巖藻黃素等，其中巖藻黃素具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化、減肥等多種功效，已成為海洋產(chǎn)業(yè)中的“明星產(chǎn)品”。過去主要從大型褐藻中提取巖藻黃素，然而得率低且品質(zhì)不佳。目前，三角褐指藻已成為提取巖藻黃素的重要原材料。藻類生理過程與精準設(shè)計育種研究團隊利用基因編輯技術(shù)敲除了三角褐指藻的隱花色素基因（CryP），突變藻株的巖藻黃素含量顯著升高（圖3）。 這一研究成果將為巖藻黃素相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供備選經(jīng)濟藻株。
圖1 三角褐指藻Pt2015蛋白的細胞定位
圖2 WT(A)，Pt2015敲除(B)和過表達(C)藻株的顯微和掃描電鏡照片及Bodipy505/515染色(G)
圖3 三角褐指藻隱花色素基因敲除藻株
發(fā)表在Biotechnology for Biofuels and Bioproducts的研究論文第一作者為高山副研究員和周璐博士, 通訊作者為王廣策研究員。發(fā)表在Algal Research的研究論文第一作者為碩士研究生楊文婷，通訊作者為高山副研究員和王廣策研究員。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、山東省重點研發(fā)計劃、國家藻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系及國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
相關(guān)研究成果：
Gao Shan#, Zhou Lu#, Yang Wenting, Wang Lijun, Liu Xuehua, Gong Yingchun, Hu Qiang and Wang Guangce*. Overexpression of a novel gene (Pt2015) endows the commercial diatom Phaeodactylum tricornutum high lipid content and grazing resistance. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 2022, 15:131, 1-19
https://doi.org/10.1186/s13068-022-02221-y
Yang Wenting, Zhou Lu, Wang Jing, Wang Lijun, Gao Shan*, Wang Guangce* Knockout of a diatom cryptochrome by CRISPR/Cas9 causes an increase in light-harvesting protein levels and accumulation of fucoxanthin. Algal Research, 2022, 66,102822.
https://doi.org/10.1016/j.algal.2022.102822
