高光调控微藻油脂合成积累过程的机理研究

High cost and low productivity are the core problems limiting the development of microalgae biodiesel. Researches on the influence of high light on lipid accumulation in microalgae are important for improving light utilization and lipid productivity. Although physiological responses to high light and corresponding acclimation mechanisms have been identified, it is still not clear that how microalgae regulate the expression of downstream genes on lipid accumulation and energy utilization in response to high light. In present study, the robust Chlorella sp. with high lipid content will be used for studies. Random mutagenesis will be used to obtain the mutant with reduced antenna size to improving photosynthetic efficiency. Then, the differentially transcribed RNAs in response to high light by the RNA-seq will be screened. And the function of genes involving in lipid accumulation in response to high light at different time will be confirmed. The potential transcriptional regulatory factor and their candidate targets will be explored. Finally, the dynamic changes of whole metabolites and carbon allocation in the course of lipid accumulation will be investigated by metabolomics and metabolic flow analysis. The result from this project will be helpful for further clarifying the high light responding mechanisms of lipid accumulation in microalgae.

高成本和低产量是现阶段限制微藻生物柴油发展的主要问题。研究高光对微藻油脂积累的影响对于提高光能利用和油脂产率具有重要意义。虽然相关的高光胁迫生理和光适应机制得到了确认，但是微藻响应高光信号调控油脂积累、能量代谢的调控机制仍有待研究。本研究以高产油脂的小球藻为对象，拟通过随机突变获得天线大小截短的突变株实现光能利用率的提升，进而提高油脂产率。然后通过RNA-seq技术比较普通和高光压力下小球藻的转录组差异，系统筛选微藻油脂积累响应高光不同时间的差异显著的基因，鉴定其生物学功能，寻找潜在的转录调节因子，预测其作用靶标；最后利用代谢组学及代谢流手段系统地分析胞内全谱代谢物的动态变化和碳流在油脂积累过程中的走向，以进一步揭示微藻油脂积累的高光胁迫调控机制。

高成本和低产量是现阶段限制微藻生物柴油发展的主要问题。研究高光对微藻油脂积累的影响对于提高光能利用和油脂产率具有重要意义。研究发现，高光强促进小球藻FACHB-27生物量和油脂含量显著提升，叶绿体降解，蛋白和碳水化合物含量下降，油脂组成分析发现膜脂（糖脂和磷脂）含量下降，转向中性脂积累。此外，通过ARTP诱变筛选得到2株最佳突变株BC2和BH1。正常光强和高光下，BC2和BH1的油脂含量（>30%）与野生型微藻（正常光19.50%，高光25.07%）相比均显著提升；薄层层析结果进一步显示突变株油脂中的三酰基甘油（TAG）比例更高，且高光能促进TAG积累。最后，利用RNA-seq进一步比较了普通和高光下小球藻的转录组差异，碳固定代谢如糖酵解、磷酸戊糖以及淀粉合成途径；脂肪酸合成、以及三羧酸循环 、氧化磷酸化、氮代谢等途径发生了显著上调，为脂质的生物合成提供重要前体、还原力NAD(P)H及能量；光合作用、磷脂合成等相关途径下调表达，反映微藻对高光的适应以及膜脂重塑参与了高光下中性脂的积累。另外,半胱氨酸生物合成的上调可能参与高光下细胞氧化应力的消除。这些变化反应了微藻细胞在应对高光强应力下胞内碳流分配、脂肪酸的从头合成、膜脂重塑、能量平衡以及应力胁迫适应机制。该项目不仅揭示了微藻响应高光的油脂积累机制，还可为微藻生物柴油的商业化应用提供新的思路。