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工学院刘进课题组在微藻虾青素生物合成研究方面取得重要进展

2020-05-13

微藻是古老的微生物,绝大多数能够进行光合作用,固定CO2并释放氧气,是地球碳-氧循环的重要参与者;保守估计,藻类固定了地球上超过40%的CO2,是地球至关重要的初级生产力。微藻具有光能利用效率高、生长快、环境适应性强、可在多种培养模式下生长、不与粮争地等多方面的优势,被誉为理想的光驱细胞工厂。微藻能将固定的CO2转化成油脂和碳水化合物等储能物质,以及一系列的高值产物,包括类胡萝卜素(如虾青素、岩藻黄素、叶黄素等)和多不饱和脂肪酸(如EPA、DHA、ARA等)。其中,佐夫色绿藻(Chromochloris zofingiensis)易培养,能够在多种营养模式下合成积累虾青素和甘油三酯(TAG),且有染色体水平的全基因组序列,被认为是研究类胡萝卜素生成和脂质生成的新兴模式藻和实现油脂和虾青素多联产的重要种质资源之一。

必威官方网站刘进课题组以佐夫色绿藻为研究对象,前期工作探究了TAG合成机制[1]和油脂代谢途径中重要基因的功能[2,3],阐释了氮缺乏胁迫下虾青素合成机制[4]和盐胁迫下虾青素和TAG合成机制[5],开发了“异养发酵-光诱导”获得富含虾青素的高密度细胞的方法[6]。然而与雨生红球藻相比,佐夫色绿藻的虾青素含量偏低,且积累了一些中间产物包括角黄素(Canthaxanthin)和金盏花黄质(Adonixanthin)。这可能与两种藻中虾青素的具体合成途径和调控机制不同有关。

基于前期工作基础,刘进课题组近日在佐夫色绿藻虾青素生物合成方面取得进展,研究成果5月8日在线发表于植物学TOP期刊《Plant Physiology》(http://www.plantphysiol.org/content/early/2020/05/08/pp.20.00325)。该研究通过抑制剂分析和体外酶活实验揭示了:1)佐夫色绿藻β-类胡萝卜素羟化酶(CHYb)不能催化角黄素的羟基化来生成虾青素,导致角黄素作为终产物之一积累;2)β-类胡萝卜素酮化酶(BKT)能够催化玉米黄质(Zeaxanthin)的酮基化来生成虾青素,但效率不高。也就是说,该藻中的虾青素合成主要来源于玉米黄质的酮基化而非角黄素的羟基化,与雨生红球藻中的合成途径相反(图1)。虾青素主要以酯化形式(单酯和双酯)存在,与TAG一起储存于脂滴(Lipid droplets)中。抑制脂肪酸的从头合成大幅降低了TAG的积累,并增加了虾青素的合成(尤其是双酯),导致虾青素/TAG的比重提高了5倍,同时将碳流导向了淀粉合成。虾青素的增加很可能来自于其它类胡萝卜素的转化,而不是类胡萝卜素代谢流的整体提高。这也与雨生红球藻中虾青素和TAG的交互作用机制相反。总的来说,该研究阐明了佐夫色绿藻中虾青素生物合成的具体途径和调控机制,探讨了不同微藻来源的BKT和CHYb在功能演化上的差异,完善了对微藻虾青素生物合成的现有认知,并提出了一种提高微藻虾青素含量和纯度的策略。

该研究得到了科技部重点研发计划等项目的资助。必威官方网站刘进为论文的通讯作者,马里兰大学环境科学中心李彦韬教授和亚利桑那州立大学Henri Gerken博士参与了该项研究。

 

  1. Liu J*, Sun Z, Mao X, Gerken H, Wang X, Yang W (2019) Multi-omics analysis reveals distinct mechanism of oleaginousness in the emerging model alga Chromochloris zofingiensisPlant Journal, 2019;98:1060–1077
  2. Mao X, Wu T, Kou Y, Shi Y, Zhang Y, Liu J* (2019) Characterization of type I and II diacylglycerol acyltransferases from the emerging model alga Chlorella zofingiensis reveals their functional complementarity and engineering potential. Biotechnology for Biofuels, 12: 28
  3. Wu T, Fu Y, Shi Y, Li Y, Kou Y, Mao X, Liu J* (2020) Functional Characterization of Long-Chain Acyl-CoA Synthetase Gene Family from the Oleaginous Alga Chromochloris zofingiensisJournal of Agricultural and Food Chemistry, 68: 4473-4484
  4. Zhang Y, Shi M, Mao X, Kou Y, Liu J* (2019) Time-resolved carotenoid profiling and transcriptomic analysis reveal mechanism of carotenogenesis for astaxanthin synthesis in the oleaginous green alga Chromochloris zofingiensisBiotechnology for Biofuels, 12:287
  5. Mao X#, Zhang Y#, Wang X#, Liu J* (2020) Novel insights into salinity-induced lipogenesis and carotenogenesis in the oleaginous astaxanthin-producing alga Chromochloris zofingiensis: a multi-omics study. Biotechnology for Biofuels,13: 73
  6. Sun Z, Zhang Y, Sun L-p, Liu J* (2019) Light elicits astaxanthin biosynthesis and accumulation in the fermented ultrahigh-density Chlorella zofinginesisJournal of Agricultural and Food Chemistry, 67: 5579–5586
 
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