基于碳-能平衡调控提高微藻养殖密度的机制研究

High density cultivation of microalgae has always been the focus of many scientific research fields. Light penetration feature and inorganic carbon concentration limit the algal cell density, the key mechanism was the balance supplying of the available carbon-ATP/NADPH. The answer will provide an important theoretical principle and practical application value for elucidating the mechanism of carbon-ATP/NADPH utilization efficiency, creating high quality biobased products and mitigating the greenhouse effect in new generation algae. The project will carried out three aspects for key science problems of ‘Mechanism of increasing algae biomass based on carbon-ATP/NADPH balance’. First of all, we will reveal the balance theory of carbon-ATP/NADPH in microalgae cultivation, verify the available ATP/NADPH insufficient hypothesis through the design of polar membrane carbon reactor device, effectively avoiding the metal cation toxicity in high concentration of inorganic carbon, combining with exogenous energy and reducing power. Then we will engineer the marine algae HTBS/Haematococcus pluvialis by constructing the glucose transporter module and/or glycolysis module, performing glucose heterotrophic culture. Finally, we will obtain high efficiency fixing carbon modification algae strain, achieve microalgae high density culture, further reveal the carbon-ATP/NADPH balance mechanism in high density culture through combining with over-expression of the key enzyme PRK in the Calvin cycle. It will lay the foundation for the future biobased products and greenhouse gases fixation.

光合微藻的高密度养殖一直是众多科研工作关注的重点领域，光能的穿透和无机碳源的补给限制了藻的生长密度，其核心机制为有效碳-能的供应平衡，研究微藻有效碳-能平衡的关键问题，对于在新一代光合微藻中揭示碳能利用效率机制，构建优质新型生物基产品和缓解温室效应具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本项目将针对“微藻高密度养殖中有效碳-能供应平衡”的关键科学问题，开展三方面的基础研究：首先通过膜碳装置反应器设计，有效避免高浓度无机碳源时的金属阳离子毒害，结合外源有效能量和还原力，揭示微藻养殖中碳能平衡理论，验证微藻养殖中有效能不足的假说；然后通过构建葡萄糖转运子模块/糖酵解模块，实现海藻的葡萄糖异养培养；最后进一步结合过表达卡尔文循环中关键酶PRK，提高微藻的固碳能力，获得高效固碳工程藻株，实现微藻的高密度养殖，深入揭示碳能平衡在微藻高密度养殖中的机理，为未来微藻生物基产品和温室效应气体固定奠定基础。

光合微藻的高密度一直是众多科研工作关注的重点领域，而其中无机碳成为关键，因为其不仅作为细胞生长营养盐，也能调控细胞ERP（ATP和NADPH）产生。如何有效供给碳，调控ERP生产，促进细胞生长成为研究重点。我们通过构建离子膜和电场力耦合的膜碳系统，实现了专一高效的Ci供给及阳离子隔离，促进了细胞生长。通过转录组学研究，阐释雨生红球藻在高碳-氮比情况下，共分析得到27673个差异表达基因，其中上调27281个，占98.5%，表明高碳-氮情况下，细胞内大部分代谢被激活。其中，CO2同时通过C3和类C4途径被固定生成糖类，再通过诱导糖酵解、TCA、PPP等途径相关基因的上调，强化了ERP的诱导合成，同时也增加了代谢中间体如丙酮酸和乙酰CoA的合成，促进了细胞生物的增长，以及油脂、虾青素、血红素的积累。在虾青素酯化过程中，fad2基因起着至关重要的作用，在外源乙醇诱导下fad2基因上调31.3倍，促进油酸到亚油酸的转化为游离虾青素酯化反应提供了重要前体，虾青素酯含量提高1.42倍。而直接添加亚油酸的添加使虾青素酯含量提升2.82倍。为进一步强化碳-能的供给，扩增调取了优质碳酸酐酶，并研究其酶学性质，同时针对淡水雨生红球藻和海水虾青素藻，构建了以博来霉素为筛选标记的碳酸酐酶和葡萄糖转运子表达载体，并建立以农杆菌侵染转化、电转方法为手段的遗传转化手段，成功将目的基因导入微藻中。为深入揭示碳能平衡在微藻高密度养殖中的机理，为未来微藻生物基产品和温室效应气体固定奠定基础。