高效产油绿藻三酰甘油积累过程的光合代谢研究

研究发现，一些绿藻在培养后期大量积累储藏性三酰甘油(TAG)，油体膨大，而光合产物淀粉粒大量减少，不同产油绿藻细胞的颜色明显差异。那么这些绿藻在积累TAG过程中，光合生长生理特性以及与碳流代谢相关细胞器的超微结构特征和关键酶活性如何变化？光合效率与TAG合成积累的关系如何？这些问题的研究对于揭示产油微藻的光合代谢机理具有重要理论意义。本研究以高含油绿藻小球藻(Chlorella sp.)和栅藻(Scenedesmus sp.)为实验材料，研究观察不同时相藻细胞的形态和超微结构特征；分析不同时相藻细胞生长的特点与生化组成的动态变化规律；测定在TAG积累过程中藻细胞、叶绿体和色素蛋白复合物不同水平的光能转化效率；探讨产油绿藻TAG合成与光合碳固定关键酶活性的关系。旨在从细胞形态结构、生理生化和酶学水平上阐明绿藻高效积累TAG的光合代谢机制，为利用产油微藻生产新型生物燃料提供必要的理论依据。

石油资源的枯竭与能源需求量增加之间的矛盾日益突出,可再生能源的开发及利用迫在眉睫。微藻生物质能作为可替代能源受到广泛关注。本项目以高产油单细胞绿藻（尖状栅藻(Scenedesmus acuminatus)和普通小球藻(Chlorella vulgaris)）为实验对象，研究了高光和不同氮限制下绿藻细胞积累TAG过程的光合代谢特征。研究结果表明：适宜的氮限制促进尖状栅藻生物质和油脂的累积，初始氮浓度为6 mmol•L-1的实验组获得最高生物量5.19 g•L-1，油脂含量占干重的51.07 %；适宜的氮限制对普通小球藻生物质的累积影响不明显但可以显著提高其油脂含量，初始氮浓度为4.5 mmol•L-1的实验组获得最高生物量3.8 g•L-1，油脂含量占干重的48.32 %；高光氮限制条件下，尖状栅藻和普通小球藻的低氮组迅速积累碳水化合物，然后通过降解碳水化合物和可溶性蛋白的策略累积油脂，普通小球藻的高氮组通过直接降解碳水化合物及可溶性蛋白的策略合成油脂；两株产油绿藻叶绿素和类胡萝卜素的合成受初始氮浓度的影响，在整个培养周期内主要色素的含量均呈先显著上升后缓慢下降的趋势，其中类胡萝卜素占的比重均增加；两株产油绿藻光系统Ⅱ的最大光能转化效率(Fv/Fm)、相对电子传递效率(ETR)、实际光能转化效率(Yield)和光合速率均随油脂的累积显著下降(P<0.05)，尖状栅藻的呼吸速率缓慢上升，普通小球藻则呈先上升后下降的趋势；77 K低温荧光结果显示，培养初期两株产油绿藻两个光系统之间存在光能调配和状态转化，低氮限制条件下随着油脂的累积尖状栅藻的PSⅡ核心复合物的蛋白表达下调，制约光能的吸收传递转化；两株产油绿藻的Rubisco酶活性高氮组先上升后下降至第12天后平缓，低氮组Rubisco酶活性随着油脂的累积持续下降至第6天平缓。上述结果表明，两株产油绿藻积累TAG形成油体的过程中，类囊体结构与功能、光能电子传递途径与转化效率、微藻光合固碳能力以及碳氮流分配均发生了适应性调整，两株产油绿藻氮限制的响应机制存在明显差异。本研究结果将为利用生理调控或基因工程技术提高微藻细胞产能，进而利用微藻大规模生产生物柴油提供可靠的理论依据。