氮胁迫真眼点藻产油过程的光合响应及其分子调控机制研究

Eustigamatos sp. is an oleaginous unicellular microalga which can accumulate large amounts of intracellular triacylglycerol (TAG) by photosynthetic carbon fixation. In nitrogen limitation, the photosynthetic pigments content decrease and the photosynthetic efficiency reduce, but TAG accumulation rate still keep a high level. Up to now, the internal mechanism of photosynthesis in response to lipid accumulation driven by nitrogen limitation supply is not yet entirely clear. Accordingly, the main research contents of this study include the following aspects: 1) the relationship between photosynthetic capability and triacylglycerol accumulation; 2) photosynthetic electron distribution in the process of lipid accumulation; 3) the subunits composition, assignment and photosynthetic energy transfer of pigment protein complexes; 4) the expression of the key photosynthetic genes at gene transcription level; 5) the differential proteome of thylakoid membrane based on two-dimensional electrophoresis and Western blot. The results will lead to deeply understand the correlation between photosynthesis and triacylglycerol biosynthesis in oleaginous microalgae. Moreover, the results probably give a theoretical guidance to enhancing the lipid productivity at high photosynthetic efficiency by regulating the concentration of nitrogen.

真眼点藻 (Eustigamatos sp.) 是一种可高效固定二氧化碳同化形成胞内储藏性三酰甘油 (TAG) 的产油单胞藻。本项目前期工作发现：氮胁迫条件下，该藻的光合色素减少、光合效率降低，而TAG却保持较快的积累速率，在此过程中藻细胞的光合代谢过程发生何种变化以满足TAG积累的能量需要？上述问题的研究对于阐明微藻产油机制具有重要意义。本项目从超微结构和光合效率角度，分析藻细胞光合能力与TAG积累的关系；利用叶绿素荧光探针，探究光合电子流分配；采用电泳、质谱与电镜技术，了解类囊体膜蛋白复合物的组成、排布及能量传递特性；结合转录组与荧光定量PCR，分析光合关键基因的转录表达；引入双向电泳和Western Blot技术，开展类囊体膜差异蛋白组学研究。本项目旨在揭示真眼点藻产油过程的光合响应及其分子调控机制，研究结果同时为“产油微藻高效光合固碳与TAG同步积累”的油脂高产策略提供理论依据。

真眼点藻(Eustigamatos sp. SCSIO)是一种可光合固定二氧化碳同化形成胞内储藏性三酰甘油的产油单胞藻。本项目以光反应为切入点，通过分析生长、碳流分配、光合效率、电子流、超微结构、色素蛋白复合物、转录组与蛋白组等，探究了真眼点藻脂质积累过程中的光合调控规律。结果表明：1)储藏性脂类是真眼点藻在氮胁迫条件下主要的能量和碳源储藏形式；2)氮限制促进中性脂积累，但降低的光合效率明显抑制了中性脂的积累，中性脂积累与相对电子传递速率之间存在明显线性关系(R2=0.9742)，油脂快速积累期，虽然Z型电子传递活性减弱，但细胞仍然可以通过可变电子途径产生ATP供细胞生长所用；3)氮充足阶段，叶绿体结构完整，油体数量较少；氮限制阶段，叶绿体片段化，油体数量增多并融合；氮恢复阶段，叶绿体结构重建，油体消失；4) 建立了真眼点藻类囊体膜蛋白复合物的分离技术，获得5条真眼点藻色素蛋白复合物条带，依次命名为CPⅠa和CPⅠa1(PSⅠ复合物)、CP a(PS Ⅱ复合物)、LHCP(捕光色素蛋白复合物)及FP(游离色素)，在油脂积累过程中PSII较PSI更容易降解；5)在油脂积累过程中，真眼点藻的光反应活性显著降低，而与ATP、NADPH和碳骨架生成相关的途径增强(如糖酵解、三羧酸循环、卡尔文循环)，光呼吸增强暗示藻细胞可能接受过量光能产生光抑制，此外，甘油酯的分解代谢和合成代谢同时增强，这种即合成又分解的脂类代谢调控降低了甘油酯的合成效率。在油脂快速积累期，微藻并不需要过量光能，过量光能的输入对微藻油脂积累可能起负面作用，建议诱导微藻油脂积累的光照应在培养过程中逐步降低，避免产生强光抑制；6)氮限制驱动微藻油脂积累过程中，共获得差异蛋白549个(上调387个，下调162个)，其中捕光天线丰富降低，反应中心蛋白降低，放氧复合体降低，电子传递体未明显变化，ATP合酶增加，光合固碳中4个酶表达上调(未发现下调蛋白)；氮恢复过程中共获得差异蛋白794个(上调483个、下调311个)，光合相关蛋白的变化与氮限制相反；7)项目共发表论文7篇（含已接收论文1篇），培养研究生2名。本项目成果可以为“高效光合固碳与TAG同步积累”的油脂高产策略提供参考依据。