氮、磷、硫及光对类波氏真眼点藻油脂积累的调控和转录组学分析

来源 :暨南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yyslzm2007
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微藻已在人类的生活中发挥着重要的作用,它被应用于家畜与家禽及水产养殖、废水处理、生物能源和营养保健品。类波氏真眼点藻JNU-2(Eustigmatos cf.polyphem JNU-2)是一株隶属于异鞭藻门(Heterokontophyta),真眼点藻纲(Eustigmatophyceae),真眼点藻属(Eustigmatos)的土壤微藻。前期研究发现,该藻生长速度快,油脂含量高,并且脂肪酸组成中富含棕榈油酸和一定量的二十碳五烯酸(EPA),是一株极具潜力的经济微藻。在此背景下,本研究通过关键营养盐的调控和光强与光质的改变对JNU-2的生长和油脂积累过程进行探索,并采用转录组学分析了解其内在代谢规律。设置不同的N、P、S初始组合浓度对该藻进行培养,测定藻细胞生物量、总脂含量、脂肪酸组成以及细胞内元素含量的变化以分析其生长和油脂积累规律。研究结果显示,不同初始浓度的N、P对JNU-2的生物量和油脂含量均有显著影响,而S浓度对其生长影响显著,但对总脂含量影响较小。最利于JNU-2生长的N、P、S初始组合浓度为:9mmol/L-NaNO3,0.92 mmol/L-K2HPO4,0.3 mmol/L-MgSO4,此时生物量达到最大值为9.19g/L;总脂含量最大值出现在3 mmol/L-NaNO3,0.029 mmol/L-K2HPO4,0.3 mmol/L-MgSO4条件下,为干重的68.7%;总脂产率的最大值(0.32 g·L-1·d-1)出现在N浓度为9 mmol/L,P、S浓度均充足的条件下。分别对4种光强(100μmol·m-2·s-1、300μmol·m-2·s-1、500μmol·m-2·s-1和双侧500μmol·m-2·s-1)和3种光质(LED-蓝光、LED-红光和白炽光)培养条件下JNU-2的生物量、总脂、脂肪酸组成、色素组成以及其总碳水化合物和蛋白质等含量进行了测定。结果显示,高光对该藻生物量的积累具有显著促进作用,生物量在双侧500μmol·m-2·s-1光强和18mmol/L-N浓度条件下达到最大值为11.99 g/L;高N条件下,高光对总脂含量具有显著促进作用,而在低N浓度下,高光条件对最终总脂含量无明显影响,但加快了总脂的积累速度。另外,LED-红光和白炽光对JNU-2生长和总脂积累的影响相似,有利于促进生物量和总脂的积累,而LED-蓝光则明显抑制了生物量和总脂积累,但在LED-蓝光下,β-胡萝卜素和蛋白质的含量相对升高。最后,本文研究了JNU-2在不同N、P、S限制以及不同光强与光质下的转录组。通过差异基因分析显示:1.低氮条件下,与脂质代谢相关的特有基因显著上调,与光合捕光色素蛋白相关的特有基因显著下调;低磷条件下,特有的基因数量较多,该条件下藻细胞产生多种特有的响应方式,这些方式主要与核苷酸代谢相关;低硫条件下,特有基因数量较少,该条件下并无特异的代谢途径;在氮磷硫同时限制条件下,特有上下调基因主要富集在氨基酸代谢途径,此时蛋白质代谢发生了显著的变化。2.高光条件下,特有的基因数量多,藻细胞应对高光环境有多种特殊策略,这些策略主要与碳水化合物代谢相关;高光低氮条件下,大量与脂质代谢相关的特有基因显著上调,藻细胞具有较强的油脂积累能力,而此时与光合作用、生长相关的特有基因显著下调。3.蓝光条件下的特有基因数量较多,其中与核苷酸代谢、光合作用相关的特有基因下调,说明蓝光条件不利于藻细胞的生长;与脂质代谢相关的特有基因显著富集,蓝光条件下的脂质代谢具有特殊性。红光条件下,与光合作用相关的特有基因显著上调,在此条件下JNU-2具有较高的光合能力。通过代谢通路分析显示:(1)脂肪酸合成中的关键酶ACCase在不同条件下变化缓和;(2)TAG合成在营养盐限制条件下主要依靠DGAT,在高光条件依靠DGAT和PDAT的途径都较活跃,而与白炽光比较,蓝光和红光条件下积累TAG的能力下降,尤其是在蓝光条件下;(3)光合作用相关基因在营养盐限制、高光条件下总体呈下调趋势,而蓝光和红光条件下则表现为总体上调趋势,尤其在红光条件下;(4)蓝光条件更有利于β-胡萝卜素的积累;(5)N代谢相关基因在蓝光下显著上调,该条件下N代谢活跃;(6)藻细胞对外源性S的吸收能力在低N、低P条件下显著下降,而在低S条件下能仍维持在一定的水平,此时对内源性的S的利用能力增强。本研究筛选出最适JNU-2生长和总脂积累的营养、光条件,为该藻实现大规模生产提供了科学有效的理论数据;同时,通过转录组学分析手段对该藻的生长代谢机制和产油机制进行分析,为其进一步的分子生物学研究提供了重要的理论依据。
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