不同CO2浓度调控蛋白核小球藻CCM的分子机制

Compared with higher plants, microalgae can take the advantages of rapid growth rate, high biomass productivity, high value bio-products output as well as 10-50 times higher of carbon sequestration efficiency. Therefore, microalga-mediated CO2 fixation and biofuel production has become a hot topic in recent years in the field of carbon reduction. However, the issue of efficiently capturing CO2 and its molecular foundation with high growth rate is still a key challenge. Here we proposed a project to reveal the molecular mechanism of algal CCM regulating the expression and co-regulatory of CO2 bio-fixation network as well as key differentially expressed genes via biology techniques, such as comparative genomics, transcriptomics, algological physiology and genetic engineering. We developed the oleaginous Chlorella as a model to investigate the molecular foundation of photosynthetic growth process and that of rubust carbon bio-fixation, by presenting the foundation of whole-genome sequence of industrial strain Chlorella pyrenoidosa. The results in the project will help us to understand the molecular mechanism of alga CCM and genes regulating the process of photosynthetic CO2 fixation, and also lay the groundwork for the construction of cell factory to efficiently converse CO2 into biomass and biofuels.

微藻生长快，其固碳效率是植物的10-50倍，且微藻的应用面广价值高，因而微藻固碳已成为近年来国际上碳减排领域中的研究热点。探索微藻CCM（CO2浓缩机制）的调控机理，提高固碳效率是微藻固碳和微藻能源领域亟待研究的关键科学问题。 本项目拟以工业用高产油蛋白核小球藻为研究对象，以申请者课题组前期首次自主完成的该藻株全基因组信息为依托，首先研究该藻株在不同CO2浓度下光自养生长的生理生化表型特征；在此基础上，运用高通量转录组测序并耦合基因组信息，分析低/高CO2浓度下该藻株生长过程的全局基因转录图谱，挖掘关键基因和差异表达途径；同时，从计算预测、比较基因组分析、过表达实验验证等方面入手，探索不同CO2浓度调控小球藻CCM的分子机制。本项目对该藻CCM调控机制的研究，不仅对揭示微藻固碳机制具有重要的理论意义，而且可为进一步构建能够实现高效固碳和产油的能源微藻细胞工厂奠定基础。

探索微藻高效固碳的分子机制，从而提高其固碳效率是微藻固碳等领域亟待研究的关键科学问题。本项目以一株工业用高产油蛋白核小球藻为研究对象，以所在实验室已在国内外首次自主完成的该高产藻株全基因组信息为依托，重点探讨该藻在不同浓度CO2下，光自养生长过程的生理生化和代谢表型特征；在此基础上，通过高通量转录组测序，对高/低 CO2浓度下，蛋白核小球藻光自养生长过程的全局代谢途径进行分析，可为揭示蛋白核小球藻的CO2固定和浓缩机制奠定基础。.首先，通入适当CO2可稳定培养液的pH值在中性范围，并促进藻细胞的生长。其中1%和5% CO2下最终的细胞干重达4 g/L以上，而只通入空气下的藻细胞干重低于1 g/L，通入100%纯CO2时pH下降严重，藻细胞几乎全部死亡。培养过程中叶绿素含量总体呈先上升后下降趋势。总油脂含量分别是1% CO2 >5% CO2 >空气>10% CO2 >20% CO2。.其次，由5% CO2切换至空气培养后，藻细胞的生长缓慢，固碳速率下降了20%-30%。胞内的碳含量基本维持在45%左右，氮含量却从8.5%跌至4.5%左右，之后逐渐下降并维持在恒定水平（2%-3%）。切换到空气后的光自养过程的小球藻脂肪酸组成多以C16-C18为主，占到总脂肪酸含量的72%-92%，低浓度的CO2有利于不饱和脂肪酸的积累。.进一步的，通过转录组测序对切换培养后的中心碳代谢、油脂合成以及CCM差异表达基因进行了分析。低CO2下，C4途径中的PEPC、MDH、ME发生了上调，TCA循环中促进丙酮酸生成草酰乙酸、苹果酸、乙酰辅酶A的一些酶发生了上调。结合转录组测序和Real-time PCR分析结果，确定了LCIB、HLA3、LCIA以及2个表达量显著变化的低CO2诱导蛋白基因（g4975、g7352），可作为接下来小球藻固碳机制以及分子改造的重点靶标基因。.最后，本项目在国内外首次建立了用途广泛的蛋白核小球藻的外源基因表达系统，并使用2A肽一次性共表达两个蛋白；开发的内源性Hsp70A启动子对高效表达外源基因具有重要作用。上述结果为通过基因工程手段改造蛋白核小球藻，将其打造成微藻能源（固碳）的工业模式藻株，并开发成高效率低成本的新型生物反应器带来了希望，为进一步研究奠定了良好的基础。