发状念珠蓝细菌多糖合成代谢的光调控机制研究

Nostoc flagelliforme has gained much attention for producing the active polysaccharides with anti-viral, anti-tumor, anti-oxidation, and anti-ultraviolet activities. Because of ecological damage through over-excavation of N. flagelliforme, picking and trading of wild N. flagelliforme are strictly prohibited. During the process of artificial culturing N. flagelliforme, chromatic acclimation (CA) that provides cyanobacteria the ability of sensing and responding to many different light colors were found to be able to affect the composition of the polysaccharides, which consequently led to the differences on pharmacological activity. At present the mechanism for polysaccharides biosynthesis regulated by CA is still unclear, which limits its wide application. For the results of light colors inducing differences on physical and chemical properties of polysaccharides, the underlying mechanism for CA-regulating polysaccharides biosynthesis will be explored. In this project, methods for high-throughput quantitative analysis will be employed to find the key proteins and metabolites regulated by CA. External disturbances will be introduced to analyze the regulatory relationships between the critical cellular components, and the protein-metabolite pathway will be proposed for the mechanism of polysaccharides biosynthesis regulated by CA. The molecular mechanism for differences on polysaccharide properties caused by light colors and the relationships between light color regulation and polysaccharides biosynthesis will be revealed through the study. The project would provide theoretical guidance for the high-efficient production of high value polysaccharides and would expand and deepen the understanding of the CA regulatory mechanism.

发状念珠蓝细菌因含有抗病毒、抗肿瘤、抗氧化、抗紫外等活性多糖日益受到关注，但因过度采挖严重破坏生态环境而被禁止开采。在人工培养过程中，发现蓝细菌感应和应对光色变化的色光适应过程（chromatic acclimation）能够影响多糖组成继而导致其药理活性差异，而此过程的调控机制尚不清楚，制约了其广泛应用。针对光色变化导致多糖性质差异这一现象，为解析色光适应过程对多糖合成代谢的调控机制，申请者利用高通量定量分析手段，寻找色光适应过程调控的关键蛋白与代谢物，应用外部扰动策略解析关键细胞组分之间的相互调控关系，构建色光适应过程调控多糖合成的蛋白质-代谢物通路，阐释光色变化造成多糖性质差异的分子机制，揭示光色调节与多糖合成代谢的联系规律。本研究将为高价值多糖的高效定向生产提供理论指导，并拓展和深化对对色光适应调控机制的认识。

作为我国一级保护的珍稀陆生蓝细菌，传统食材——发菜（学名发状念珠蓝细菌），具有较高的营养价值和药用价值，从发菜中提取到的非硫酸性杂多糖，因具有抗肿瘤、抗病毒和抗氧化活性受到关注。初步发现光质对多糖产量影响很大，探索光质对发菜培养及多糖合成代谢的作用机制，对优化发菜培养及多糖生产条件具有重要意义。按照项目计划所确定的研究内容，自2013年以来，开展了“发状念珠蓝细菌（发菜）多糖合成代谢的光调控机制研究”相关基础研究工作。首先建立了有效的单细胞分离结合抗生素处理的发菜藻种纯化策略，解决了野生发菜附生微生物体系复杂、难以获得纯藻种的问题，并引入代谢组学方法监测目标藻种细胞状态以评估和优化纯化过程，也为其它种类蓝细菌细胞纯化提供了借鉴。对发菜多糖的性质进行了深入研究，发现发菜多糖具有高特性粘度、良好乳化性和絮凝能力，显示了良好的工业应用前景，并且能够增强机体免疫力的能力，具有较好的免疫调节活性，在功能食品及医药领域也具有良好的应用潜力。研究了光质对多糖生产的影响，光质变化显著影响多糖产量和单糖组成比例，其中红光和蓝光有利于胞外多糖的积累，但光质对多糖官能团结构和晶态结构没有显著影响，这是首次系统揭示了不同光质下发菜多糖产量、组成及结构的变化规律。运用GC-MS技术结合多元统计分析手段，从代谢组学角度分析不同光质下发菜细胞生长代谢差异，阐明了不同光质作用下发菜多糖合成与细胞代谢之间的关联机制，从代谢水平上解释了不同光质造成多糖产量差异的机理。研究不同光质下发菜光合色素含量变化规律，并运用激光共聚焦显微镜及透射电镜对发菜细胞中光合色素与类囊体的分布进行观察，结果表明无论短期或长期培养，红光、蓝光、紫光下类胡萝卜素与叶绿素比值呈上升趋势，而在黄光和绿光下该比值与白光相近。红光下发菜细胞中藻蓝蛋白含量低于绿光，揭示了发菜细胞区别于目前已报道的四种色光适应类型的的特殊光质适应机制。基于前述研究结果，对液体培养发菜生产多糖过程的光环境条件进行了优化，将组合光质、波长转换和优化氮源多种手段结合使用，建立了利用光环境调控提高发菜细胞和多糖产量的策略。研究结果为高价值多糖的高效定向生产提供了理论指导，也拓展和深化了对色光适应调控机制的认识。本项目共计发表SCI期刊论文6篇，中文核心期刊论文2篇，出版学术专著1部，已申请专利3项，其中授权1项，已培养毕业研究生4名。