自然界中的一些微藻因產(chǎn)油量高、生長速度快、環(huán)境適應性強，并可在邊際土地上用海水或廢水培養(yǎng)，被視作一種重要的新型能源作物，但目前對其高產(chǎn)油的代謝和調(diào)控機制尚不清楚。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞研究中心領導的研究團隊率先揭示了分子水平的微藻產(chǎn)油過程動態(tài)規(guī)律。相關成果于4月1日在線發(fā)表于Plant Cell （Li, et al, Plant Cell, 2014）。

該團隊在前期研究中，以微擬球藻為研究模式，揭示了微藻高產(chǎn)油性狀的遺傳基礎和進化規(guī)律（Wang, et al, PLoS Genetics, 2014）。但是，分子水平上微藻高效合成甘油三酯（即藻油）這一過程究竟是如何發(fā)生的呢？該核心問題一直缺乏系統(tǒng)性實驗證據(jù)的支持。

通過運用高精度的轉(zhuǎn)錄組學和脂類組學分析手段，青島能源所單細胞研究中心博士研究生李敬、王冬梅博士、寧康博士和美國亞利桑那州立大學韓丹翔博士等考察了微擬球藻缺氮誘導產(chǎn)油過程中從3小時到48小時的六個不同時間點下轉(zhuǎn)錄組和脂類代謝組的動態(tài)變化規(guī)律，在國際上率先構(gòu)建了野生油藻產(chǎn)油過程動態(tài)模型。在氮源缺乏時，藻細胞中TAG含量大幅度提高，膜脂含量下降。在轉(zhuǎn)錄水平上，糖酵解、PDHC和PDHC旁路、位于線粒體的三羧酸循環(huán)和氧化等途徑上的相關基因以及特定轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，推動碳流由碳水化合物、蛋白及膜脂代謝途徑流向甘油酯合成。在TAG組裝途徑中，位于葉綠體、線粒體和胞質(zhì)等不同細胞器的7個DGAT基因，在缺氮時轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，和上游其他上調(diào)基因一起，促進大量TAG的合成。該研究闡明的微藻亞細胞水平時間和空間上油脂合成代謝的這一雙重調(diào)控機制，為高產(chǎn)油藻的基因工程育種提供了重要的理論基礎和嶄新的研究思路。

這一首個分子水平的微藻產(chǎn)油動態(tài)模型還進一步揭示了微擬球藻等野生高產(chǎn)油藻與低產(chǎn)油的萊茵衣藻等在油脂合成全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式上的區(qū)別。其中，前者具有一型（Type I）脂肪酸合成酶基因，同時其DGAT基因（催化甘油三酯合成的最后一步）轉(zhuǎn)錄本的絕對豐度比后者多出兩倍。因此前者不僅在DGAT基因的數(shù)目（13個）上是目前已知藻類和植物基因組中最多的，而且在缺氮和不缺氮條件下均儲備了大量的DGAT轉(zhuǎn)錄本，從而高效支撐油脂的大量積累。

該研究獲得了基金委重大國際合作項目、科技部“973”和中科院創(chuàng)新團隊國際合作伙伴計劃等支持，由中科院青島能源所單細胞研究中心研究員徐健與中科院水生生物所微藻生物技術與生物能源研發(fā)中心研究員胡強共同主持完成。

論文信息：Li, J., Han, D., Wang, D., Ning, K., Jia, J., Wei, L., Jing, X., Huang, S., Chen, J., Li, Y., Hu, Q., Xu, J. (2014). Choreography of Transcriptomes and Lipidomes of Nannochloropsis Reveals the Mechanisms of Oil Synthesis in Microalgae, Plant Cell 10.1105/tpc.113.121418．

微擬球藻在缺氮條件下的產(chǎn)油過程。圖中均為一個微擬球藻細胞，時間代表開始缺氮誘導后的天數(shù)，綠顏色是用Bodipy染料染色的中性脂（其中絕大部分為甘油三酯）。