论文部分内容阅读
化石能源面临着日益枯竭、资源分布不均衡以及消耗量增加的危机,导致世界范围的能源问题。许多藻类具有生长快、光合产油效率高等特性,使其成为生产生物柴油极具前景的原材料。尖状栅藻（Scenedesmus acuminatus）是一株高产油单细胞绿藻,该藻在适度低氮限制下能显著提高生物量和油脂产率,油脂含量高达50%以上,是生产生物柴油的理想藻株。但目前对于尖状栅藻在低氮条件下,快速油脂积累过程中的光合生理代谢,特别是低氮驱动的能量调控与碳流分配机制还缺乏深入的认识。本文以高产油绿藻-尖状栅藻为材料,从两个光系统激发能的调节、电子流分配、低氮驱动的光合碳分配以及转录谱分析等方面,阐明尖状栅藻高效累积脂质的物质和能量代谢基础,揭示能源微藻油脂高效合成的机制。主要研究结果如下:（1）不同初始氮浓度培养尖状栅藻,结果表明:0.1 g L–1组的藻细胞获得最高碳含量、油脂含量、高位热值和最低单位油脂产率,分别为61.86%、44.24%、3.10 MJ kg–1和0.09 g L–1d–1。氮素浓度在0.4–0.75 g L–1范围可获得最高的油脂产率(0.13–0.14 g L–1 d–1)。氮素浓为0.1–0.3 g L–1的藻细胞在培养过程中两个光系统的激发能经历状态转化（state1向state2转变）的光捕获调节,然后逐渐恢复到state1,调节程度较弱。在油脂产率最高的0.4–0.75 g L–1组,藻细胞具有强的激发能调节能力,经历3个阶段的调节:（i）培养0–2 d,经历状态转化的调节,（ii）培养3–5 d,经历捕光天线脱离的调节,（iii）培养5–12 d,藻细胞向state1过渡。（2）PSⅡ的叶绿素荧光参数表明,PSⅡ的光合活性显著受到QA还原水平的影响。随着培养的进行,各初始氮浓度藻细胞PSⅡ吸收的光能分配到光化学反应的能量减少,分配到非光化学猝灭的能量增加。初始氮浓度0.1–0.6 g L–1组的尖状栅藻,PSⅡ吸收的光能更多的以调节性的光保护机制耗散（非光化学猝灭的量子产率Y（NPQ）>0.4）,初始氮浓度为0.75–1.5 g L–1范围的尖状栅藻吸收的光能主要以被动耗散为热量的形式释放（非调节性能量耗散的量子产率Y（NO）>0.4）。低氮(0.1–0.6 g L–1组)具有提高藻细胞耐受光强的能力。测定鼓包曲线表明,培养第3 d,氮浓度为0.3 g L–1和1.5 g L–1的藻细胞产生较高比例的围绕PSⅠ的环式电子循环途径,0.75 g L–1和0.8 g L–1组没有检测到鼓包曲线。随着培养的进行,各初始氮浓度下藻细胞环式循环电子流的比例增加。（3）尖状栅藻在培养适应阶段（1–24 h）,O2–产生速率和H2O2的含量减少,超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH）等抗氧化酶活性被激活,水–水循环途径以较低的速度运行。培养24 h后,无氮培养的尖状栅藻O2–产生速率和H2O2含量增加,SOD、APX和GSH活性增加,表明氮缺乏条件诱导藻细胞增强水–水循环代谢。氮浓度为0.75 g L–1的尖状栅藻对代谢的调节更灵活,细胞积累的H2O2明显低于1.5 g L–1组,两个有氮实验组藻细胞过氧化氢酶（CAT）的活性随着培养逐渐降低,无氮培养的藻细胞CAT活性逐渐增加,弥补了APX活性的不足。（4）无氮培养抑制尖状栅藻生长,色素含量下降,单细胞重量增加,叶黄素和玉米黄素是尖状栅藻响应氮缺乏胁迫的主要色素。尖状栅藻可溶性蛋白的含量随着培养时间的推移和初始氮浓度的降低而减少;碳水化合物的含量随着培养时间的推移先快速增加后减少,初始氮浓度越低增加和减少的幅度越大;总脂含量随着培养时间的推移逐渐增加,初始氮浓度越低油脂含量越高。抑制碳水化合物的合成和降解,尖状栅藻总脂的含量显著下降;脂肪酸的合成受到抑制,藻细胞碳水化合物的含量也减少。说明尖状栅藻碳水化合物和脂质的代谢相互影响,低氮促进尖状栅藻增长的碳水化合物是藻细胞后期快速积累油脂的关键。（5）转录组分析显示:无氮条件下尖状栅藻糖酵解、磷酸戊糖途径、脂肪酸合成途径、氮素的吸收和同化、氨基酸合成途径（硫参与的氨基酸除外）等的差异表达基因显著上调,上述途径中上调的差异基因数目随着氮浓度的升高逐渐减少,0.75 g L–1组的部分基因差异倍数的绝对值高于1.5 g L–1组。与光系统结构修复的PSⅡ核心蛋白和放氧复合体外周蛋白以及Cytb6f的表达在无氮组表现上调,编码尖状栅藻的磷脂:二酰基甘油酰基转移酶（PDAT）基因显著上调,表明在氮素胁迫下藻细胞主要通过不依赖乙酰–Co A的PDAT途径积累TAG。尖状栅藻在低氮限制时,磷酸戊糖途径和脂肪酸合成途径的差异表达基因显著上调,编码二酰基甘油酰基转移酶（DGAT）和PDAT的基因上调,说明在低氮条件下尖状栅藻TAG合成既依赖DGAT,又依赖PDAT。低氮对尖状栅藻氮代谢相关通路具有明显调控作用,涉及氮转运和同化以及氨基酸、氨甲酰磷酸合成途径和尿素循环途径的基因都显著上调,以提高细胞对氮的摄取和利用能力。