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發現海洋綠藻生物量和直鏈淀粉超量積累的調控新方法
發布時間： 2022-11-25 點擊次數： 1939次微藻淀粉可開發為生物能源、食品和生物塑料。缺氮/限氮可使淀粉積累達到干重的50%以上，是綠藻淀粉累積的方法。然而，營養脅迫會抑制藻類細胞的生長，限制淀粉的生產速度。為此，華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室的研究人員提出了一種新的調控方法，促進了新分離的綠藻Platymonas helgolandica的生長和高直鏈淀粉積累——即通過添加外源性葡萄糖和控制適當的晝夜節律時間，可獲得最大的干重積累(Light:Dark = 12:12)和最大的淀粉濃度(Light:Dark = 6:18)。研究成果刊登在2022年《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》雜志。
為進一步揭示不同培養模式下綠藻生理狀態的差異，研究人員使用了藻類光合檢測套件測定了自養組(24:0，?Glc)、混合營養組(24:0，+Glc)、晝夜節律組(6:18，?Glc) 和異養組(0:24，+Glc)的葉綠素熒光參數和呼吸速率，上述培養模式以（光照小時數：暗黑小時數，有無添加外源葡萄糖Glc）進行表示。
A圖中，Fv/Fm反映了光系統II (PSII)的效率。混合營養組的總體變化趨勢與自養營養組相同。晝夜節律組的Fv/Fm在培養早期相對穩定，在后期迅速下降——可能由于細胞數量的迅速增加，單個細胞接收到的光更加有限。異養組持續保持極低的PSII效率。
B圖展示了借助OJIP程序在第6天測定的多個參數。發現相比于混合營養組，晝夜節律組的單位反應中心(RC)吸收能量(ABS/RC)和電子傳遞能量(ETo/RC)的變化不明顯，而每個活躍反應中心的捕獲能量(TRo/RC)下降7.10% (p <0.05)。這可能是由于長期光照導致混合營養組反應中心關閉所致。
與自養組相比，添加葡萄糖的三組的TRo/ABS和ETo/ABS值均有所下降，說明葡萄糖的存在降低了吸收能量的捕獲和傳遞。此外，異養組與混合營養組比較，TRo/ABS下降15.98%(p <0.05)，DIo/RC提高76.52% (p <0.05)，表明連續黑暗培養導致了能量捕獲的顯著減少和能量消耗效率的顯著增加；ABS/RC增加18.03% (p <0.05)，這可能反映了異養組細胞中的反應中心大量關閉。
從C圖中的OJIP快速葉綠素熒光動力學曲線，可發現自養組和混合營養組的曲線形狀特征相似。而晝夜節律組和異養組的曲線形狀發生了變化——與自養組相比，兩組J點的熒光強度Vj分別變化了?10.05%和33.17%，I點的熒光強度Vi分別變化了?25.17%和?3.40%。最終，兩組的Fv/Fm分別降低了9.71%和20.67%，反映出PSII效率隨著光照時間的減少而降低。
D圖展示了呼吸速率隨時間的變化曲線。與自養組相比，添加葡萄糖的三組的呼吸速率均有所提高。這是因為葡萄糖的存在能夠有效促進有氧呼吸，釋放能量，并產生丙酮酸合成代謝物。在第3天，異養組和晝夜節律組的呼吸作用明顯增強，較自養組分別提高了145.12%和63.67%。這一現象表明，在沒有光的情況下，異養組通過上調呼吸來維持生長。在晝夜節律組中，呼吸速率的增加可能意味著更多能量產生和更快的生長。
通過以上細致詳盡的分析，揭示了不同培養模式下海洋綠藻生長狀態不同的生理基礎。
藻類光合檢測套件是由北京易科泰生態技術有限公司為藻類科研工作者量身定制的藻類光合作用測量方案，能夠幫助研究人員輕松、完整地獲取藻類光合生理數據，具有小巧便攜、易操作、高性價比的特點。
檢測套件既能測定藻類的氣體交換參數，如光合放氧速率、暗呼吸速率、凈光合速率，也能夠測定葉綠素熒光參數，包括F0、Ft、Fm、Fm’、QY、QY_Ln、QY_Dn、NPQ、Qp、Rfd、Area、Mo、Sm、PI、ABS/RC等50多個參數，從而全面檢測、評估藻類的光合-呼吸作用中物質和能量轉化。
套件幫助微藻固碳、水質凈化、全球變化、代謝生理等各個研究領域的藻類科研工作者輕松獲得了準確、全面的藻類光合數據，僅舉兩例：
1. 顆石藻是海洋中最重要的鈣化生物類群之一，也是主要的初級生產者，同時進行光合與鈣化兩種固碳作用（兩者分別是碳匯和碳源過程），因此在海洋碳循環中起到重要作用。顆石藻表面往往覆蓋一層又一層的顆石粒（Coccolith），形成殼狀結構的顆石球(Coccosphere)。英國海洋生物協會和美國北卡萊羅納大學威明頓分校聯合研究發現：不同種的顆石藻對鈣化作用的需求不同，破壞鈣化作用會導致某些種的顆石藻無法維持完整的顆石球，產生細胞周期阻滯現象和重大的生長缺陷。但沒有證據證明鈣化作用會影響光合作用。論文發表于2018年《New Phytologist》雜志。
2. Ben等人調查研究了有機污染物雙酚A（BPA）對嗜堿性綠藻Picocystis 的影響及后者對前者的去除能力，發現暴露于低濃度（＜25mg/L）BPA 5天不會抑制Picocystis的生長和光合作用；而高濃度（50-75mg/L）BPA暴露盡管使Picocystis的凈光合速率急劇下降，但PSII活性受到的影響較小（凈光合速率接近零時，Fv/Fm仍至少為0.2），最終對其生長的抑制也不超過43%。高濃度BPA暴露下的Picocystis能夠同時促進多種抗氧化酶的活性，可視作避免PSII受到額外損傷的防御機制。并且Picocystis通過生物降解和轉化，高效率地移除了BPA。因此，高耐受性和高移除率使Picocystis在雙酚A的水質凈化方面具有巨大的潛力。論文發表于2018年《Ecotoxicology and Environmental Safety》雜志。
參考文獻：
1. Ben Ouada, S., Ben Ali, R., Leboulanger, C., Ben Ouada, H., & Sayadi, S. (2018). Effect of Bisphenol A on the extremophilic microalgal strain Picocystis sp. (Chlorophyta) and its high BPA removal ability. Ecotoxicology and Environmental Safety, 158, 1–8.
2. Shi, Q., Chen, C., He, T., & Fan, J. (2022). Circadian rhythm promotes the biomass and amylose hyperaccumulation by mixotrophic c*tion of marine microalga Platymonas helgolandica. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 15(1), 75.
3. Walker, C. E., Taylor, A. R., Langer, G., Durak, G. M., Heath, S., Probert, I., Tyrrell, T., Brownlee, C., & Wheeler, G. L. (2018). The requirement for calcification differs between ecologically important coccolithophore species. The New Phytologist, 220(1), 147–162.