2019-05-22
派森諾生物與青島生物能源研究所攜手合作，在《Biotechnology for Biofuels》上發表了小型黃絲藻作為生物能源的中樞碳代謝和脂質生物合成的相關研究成果，影響因子5.497。
研究背景
微藻被認為是液體生物燃料生產的有希望的候選對象，研究發現Tribonema sp.（黃絲藻）在光自養條件下能大量積累脂質，還能夠利用葡萄糖作為碳源，是生物柴油生產的油源微藻之一。但異養模式會明顯降低脂質含量，因此，確定脂質積累和發育的機制是十分必要的。測定光自養和異養生長之間代謝途徑的差異，將為改善異養細胞的脂質積累提供目標和策略。
研究方法
比較光自養和異養培養小型黃絲藻細胞的生長、生化成分、轉錄組和代謝組學特征，研究其代謝差異。在比較轉錄組學和代謝組學研究的基礎上，建立了一個在光自養和異養生長條件下中樞碳代謝和脂質生物合成途徑變化的模型。此外，還分析了外源關鍵代謝中間體的補充對異養培養中脂質積累的具體影響。
研究結果
? 光自養和異養條件下小型黃絲藻的生長及生化成分積累的比較
小型黃絲藻細胞在生物反應器進行光自養和異養條件培養，統計分析隨培養時間增長黃絲藻的生物干重以及脂質、蛋白質、碳水化合物占干重的百分比。統計結果表明，在光自養條件下，碳水化合物的生物合成大大降低。作者還測量了在不同生長階段的小型黃絲藻細胞的色素濃度，以評估不同培養模式的影響。
圖1 小型黃絲藻在光自養和異養條件下的生長和生化組成積累
? RNA-seq及碳代謝和脂質生物合成相關基因表達的差異
為了鑒定脂質積累期間發生的轉錄組學變化，使用光合自養和異養培養物的樣品進行RNA-seq分析。轉錄組拼接產生了58,211個轉錄本，并對獲得轉錄本進行NR蛋白質數據庫注釋（圖2a）和基因本體論（GO）注釋統計（圖2b）。差異分析結果表明，與光合自養細胞相比，異養細胞中有1032個上調基因和1442個下調基因。在這些基因中，進一步分析了與碳代謝和脂肪酸和三酰基甘油生物合成相關的差異表達的基因（DEG）及參與的生化途徑。結果揭示了異養細胞中強烈上調的基因參與糖原異生和TCA循環，而參與糖酵解，丙酮酸代謝和脂肪酸生物合成的基因被下調。此外，這些數據還揭示了補充碳前體對于在異養條件下小型黃絲藻細胞增加脂質積累的重要性。
圖2 RNA-seq 轉錄本的NR數據庫和GO數據庫注釋統計
? 光自養和異養條件下小型黃絲藻的代謝組學分析
通過LC-MS檢測所有樣品中存在的總共216種一級和二級藻類細胞內代謝物。隨后，作者構建了傳統的主坐標分析（OPLS-DA）模型，以研究代謝物水平與培養條件之間的相關性。模型結果顯示，兩個模型在兩組之間的（X軸）方向上顯示出明顯的簇，表明異養培養是造成代謝譜之間的大部分差異的原因（圖3a）。PLS-DA模型的相應加載圖，鑒定負責觀察到的分離的代謝物（圖3b）。不同培養模式顯著地影響34種鑒定到的代謝物（13種氨基酸，2種糖，7種脂質和12種其他物質）。
圖3 光自養和異養條件下小型黃絲藻的代謝產物的PCA分析
? 異養條件下轉錄組和代謝組的變化
基于轉錄組學，代謝物分析和生化數據，作者提出了在異養條件下脂質生物合成的簡化碳前體方案（圖4）。該方案合理清楚地顯示了從葡萄糖到不同代謝途徑的碳前體的流程，主要是糖酵解/糖異生途徑，TCA循環和脂肪酸生物合成。 簡言之，參與糖酵解，脂肪酸和TAG生物合成的關鍵酶被下調，而涉及糖異生的關鍵酶在異養條件下被上調。盡管異養條件下的大多數關鍵代謝物與光合自養條件下的代謝物沒有顯著差異，但代謝組學數據顯示，參與糖酵解/糖異生的兩種關鍵代謝物的水平升高，而參與TCA循環和脂肪酸生物合成的幾種代謝物呈現低豐度。
圖4 小型黃絲藻的中樞碳代謝通路調控模型及和脂質生物合成方案
? 異養條件下潛在代謝物對生物量和脂質積累的影響
為了確定代謝物標志物是否會增加小型黃絲藻體內脂質的積累，根據轉錄組學和代謝組學分析，以不同濃度提供六種潛在代謝物（半乳糖醇，甘露醇，N-甲基酪胺，檸檬酸鹽，琥珀酸鹽和棕櫚酸鉀）進行了分析。比如圖5a，b顯示了在異養條件下補充2種糖（甘露醇和衛矛醇）對小型黃絲藻的生物量和脂質積累的影響。甘露醇補充劑不會引起異養培養物中小型黃絲藻的生長和脂質積累的顯著變化。如圖5c表明隨著N-甲基酪胺濃度的增加小型黃絲藻的生物量和脂質積累略有增加，而圖5e表明棕櫚酸鉀是一個有效的觸發器，促進異養培養下小型黃絲藻細胞內脂肪積累。
圖5 六種潛在代謝物標記物對異養條件下小型黃絲藻的生物量和脂質積累的影響
結論
小型黃絲藻細胞中，碳前體供應不足導致異養培養過程中脂質積累水平較低。根據代謝組學數據，適當補充碳代謝物可促進脂質積累。此外，還通過組學分析確定了基因調控代謝靶點。
原文索引
Wang H , Zhang Y , Zhou W , et al. Mechanism and enhancement of lipid accumulation in filamentous oleaginous microalgae Tribonema minus under heterotrophic condition[J]. Biotechnology for Biofuels, 2018, 11(1).
原文鏈接
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-018-1329-z
