CO2驱动胶球藻积累甘油三酯的脂组学变化及其机理研究

The polar microalga Coccomyxa subellipsoidea C-169 is realized as a new model bioresource for R&D of biodiesel production from microalgae since it enables to accumulate triglycerides (TAGs) up to 58% DW under optimal condition and the genome sequencing has been completed recently. In this project, lipid analysis with fluorescent molecular probe will be firstly employed to investigate the quantitative relationship between oil accumulation and CO2 concentration with time course in photoautotrophic cells. Lipid profiles in the eariler phase of CO2 induction will be then analysed, the lipid biomarkers for cell response to CO2 induction will be identified by multivariate statistical data analysis, and the change trends of lipid biomarkers will be clarified. Furthermore, transcriptome information in CO2-induced cells will be obtained followed by identification of gene groups with significantly differential expression by statistical analysis. By lipidomic and transcriptomic analysis, the differentially expressed genes which corresponding to the change trends of lipid biomarkers in the earlier stage of CO2 induction will be found. Moreover, the regulation mechanism of gene expression for TAGs accumulation in the later phase of CO2 drive will be revealed. The prospective achievements in this project will provide novel theoretical basis for key technology development to enhance TAGs accumulation in C. subellipsoidea C-169 by CO2 drive, which has great contribution to the development of energy from microalgae.

极地微藻胶球藻Coccomyxa subellipsoidea C-169在适宜条件下可积累58%干重的甘油三酯，全基因组测序已完成，是微藻生物柴油研究开发的新模式资源。本项目先利用荧光分子探针分析细胞脂质，解析胶球藻光自养下积累甘油三酯与CO2浓度-时间效应的定量关系；再分析CO2诱导早期细胞的脂代谢物谱，结合多变量数据统计分析，鉴定出CO2诱导早期细胞发生响应的脂代谢标志物，阐明脂代谢标志物的变化规律。进而分析CO2诱导细胞的转录组信息，统计分析确定表达差异性显著的基因群。通过脂组学和转录组学分析，发现CO2诱导早期与脂代谢标志物变化规律相对应的基因差异性表达机制，进一步揭示CO2诱导后期驱动甘油三酯积累的基因表达调控机制。项目预期成果将为利用CO2促进胶球藻积累甘油三酯关键技术的开发提供原始性创新的理论依据，对发展微藻能源意义重大。

富油微藻作为一种新型生物燃料的原料，可以有效固定CO2并积累油脂。本研究发现，在胶球藻C-169的自养培养中通入2%CO2可以提高细胞生长速率和脂肪酸积累，生物量产率达到222 mg·L-1·d-1、脂肪酸含量为48.5%干重。全转录组分析表明，补充2% CO2 对C-169的重要代谢途径都进行了全局性调控，包括增强了卡尔文循环、PEP和丙酮酸羧化反应和氨甲酰磷酸合成反应等从而加快了碳同化速度，为细胞快速生长提供充足的碳骨架；通过上调的铁氧化还原蛋白(Ferredoxin)和铁氧化还原蛋白-NADP+还原酶(FNR)，前期活跃的光合作用所产生的大量还原力传递至多种受体以供细胞快速生长和油脂积累所需；大部分参与糖酵解、TCA循环和氧化磷酸化等过程的基因显著上调。这些过程的共同加强导致细胞产生更多的ATP和中间代谢物，为细胞快速生长和合成代谢提供了能量和物质基础。同时，氮同化、CPS II酶的催化反应、GS/GOGAT循环和鸟氨酸途径被加强，这有助于细胞适应高C/N环境； 脂肪酸降解基因下调，加上脂肪酸合成基因的持续上调，共同导致了细胞后期油脂的大量积累。进一步深入分析转录组组学数据后，本研究共鉴定出187个miRNA；miRNA通路富集结果显示，miRNA与泛酸和CoA合成、C5支链酸代谢、2-羟羧酸代谢、丁酸代谢、α-亚麻酸代谢以及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸合成等过程密切有关。通过rtq-PCR验证了该调控关系和部分相应靶基因。此外，本研究还针对CO2驱动下普通小球藻CS-42代谢组学进行了研究，发现在CO2补充下，糖酵解和TCA循环受到抑制，导致葡萄糖、果糖等的大量积累，而氨基酸合成因缺乏前体化合物受到抑制；TCA循环的减弱使acetyl-CoA积累并一定程度上促进了油脂合成。在项目前期，利用 GC/TOF-MS 联用技术，对氮、磷缺乏胁迫下的雪衣藻细胞进行全代谢物谱分析，发现了细胞通过上调或下调代谢标志物的含量，来调节细胞内氨基酸代谢、脂肪酸合成、糖酵解、三羧酸循环等代谢途径，从而使细胞从响应转变为适应氮、磷营养缺乏环境。上述研究成果系统阐明了能源微藻响应CO2驱动下的全局性代谢调控机制，对于进一步提高能源微藻光合固碳效率、提高生物量和油脂产率，发展微藻能源具有重要理论指导意义。