微藻Synechococcus sp.低碳链脂肪酸累积的分子机制研究

The microalga Synechococcus sp. is used in the study, Researches on the effects of environmental factors on the synthesis of short chain fatty acids in miroalgal cells are conducted. The key environmental factors and the microalgal species which could stimulate the accumulation of short chain fatty acids in cells are expected to be obtained. By analyzing the relationship between the expression or mutation of FabB、FabF and FabH genes and environmental factors, the molecular mechanisms involved in the accumulation of short chain fatty acids in Synechococcus sp. are expected to be elucidated. The results are important to the knowledge of the function of the key genes related to the synthesis of short chain fatty acids and their expression regulation in miroalgae cells. It could also provide the scientific basis for the build of "bioengineering microalgae" and the breeding of short chain fatty acid-rich microalgae species.

以聚球藻Synechococcus sp.为材料，研究环境因子对Synechococcus sp.低碳链脂肪酸合成的影响，获取促进Synechococcus sp.低碳链脂肪酸累积的关键环境因子，获得高产低碳链脂肪酸的藻株；通过分析环境因子与低碳链脂肪酸合成相关基因FabB、FabF和FabH表达量之间的关系，以及FabB、FabF和FabH基因的缺失比较研究，搞清楚环境因子对Synechococcus sp.低碳链脂肪酸合成相关基因的调控机理，以及环境因子与脂肪酸组成变化间的作用机制。研究结果对阐明微藻细胞低碳链脂肪酸合成与累积的分子机制，以及与低碳链脂肪酸合成相关的重要基因功能及其表达调节等具有重要的理论意义；也可为未来开发利用微藻生产低碳链脂肪酸、以及利用代谢工程手段构建"工程微藻"生产低碳链脂肪酸和富含低碳链脂肪酸藻种的选育等提供科学指导。

低碳链脂肪酸甘油酯具有黏度低、延伸性好等特点，在食品、医药及日用化工等领域具十分广阔的应用前景。目前，我国主要以椰子和棕桐等植物为原料进行低碳链脂肪酸的生产。植物油脂受气候和土地资源等条件限制，成本较高。微藻以其生长速度快，含油量高，对土地要求低等优点成为人们的关注重点。蓝藻在某些特殊条件能积累较高的低碳链脂肪酸，但其相关机理目前还不清楚。植物和细菌中对β-酮酯酰合成酶（β-Ketoacyl ACP Synthase, KASI/II/III）的研究发现，KASI/II与脂肪酸的C4-C16延伸相关，KASIII负责脂肪酸碳链延伸的起始步骤。为了探究蓝藻低碳链脂肪酸的合成机制，本项目以聚球藻Synechococcus sp. PCC 7942为材料，研究了不同硝酸盐浓度、pH值、温度、光强、浅蓝菌素及培养时间对Synechococcus sp. PCC 7942生长和脂肪酸组成的影响；分析获取与聚球藻低碳链脂肪酸合成相关基因（Synpcc7942_0537对应FabB/F基因，酶为KASI/II和Synpcc7942_1455对应FabH基因，酶为KASIII），构建正义反义以及基因缺失突变株研究了相关基因的功能及其表达调控；并通过大肠杆菌突变株的异体互补，进一步说明目的基因与脂肪酸碳链延伸的关系，解析蓝藻的碳链延伸途径以及低碳链脂肪酸累积的分子机制；同时对相关蛋白进行了荧光定位。研究结果显示，较高浓度的浅蓝菌素（7.5 g/L）和培养早期（2 d-6 d）有利于低碳链脂肪酸（C12+C14）的累积，分别可达2.84%和2.44%，此时FabB/F基因表达量下调。对FabB/F和FabH的反义表达株和缺失突变株的脂肪酸组成分析显示，反义表达FabB/F和FabH时C14分别提高了65.19%和130%，突变条件下C14分别提高了10.79%（FabB/F）和6.47%（FabH），突变FabB/F时C8增加了6倍。研究结果提示聚球藻中FabB/F基因与脂肪酸延伸有关、具有将顺-16:1延伸为顺-18:1脂肪酸的功能；而FabH基因则与脂肪酸合成起始和延伸有关。这些基因的功能也进一步在大肠杆菌中得到验证。荧光定位显示相关蛋白分布在微藻的细胞膜上。上述研究结果可为未来利用代谢工程和分子生物学手段开发微藻低碳链脂肪酸资源提供科学指导。