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發(fā)現(xiàn)海洋綠藻生物量和直鏈淀粉超量積累的調(diào)控新方法
發(fā)布時(shí)間： 2022-11-25 點(diǎn)擊次數(shù)： 1867次微藻淀粉可開(kāi)發(fā)為生物能源、食品和生物塑料。缺氮/限氮可使淀粉積累達(dá)到干重的50%以上，是綠藻淀粉累積的方法。然而，營(yíng)養(yǎng)脅迫會(huì)抑制藻類(lèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)，限制淀粉的生產(chǎn)速度。為此，華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新的調(diào)控方法，促進(jìn)了新分離的綠藻Platymonas helgolandica的生長(zhǎng)和高直鏈淀粉積累——即通過(guò)添加外源性葡萄糖和控制適當(dāng)?shù)臅円构?jié)律時(shí)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(jìn)一步揭示不同培養(yǎng)模式下綠藻生理狀態(tài)的差異，研究人員使用了藻類(lèi)光合檢測(cè)套件測(cè)定了自養(yǎng)組(24:0，?Glc)、混合營(yíng)養(yǎng)組(24:0，+Glc)、晝夜節(jié)律組(6:18，?Glc) 和異養(yǎng)組(0:24，+Glc)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和呼吸速率，上述培養(yǎng)模式以（光照小時(shí)數(shù)：暗黑小時(shí)數(shù)，有無(wú)添加外源葡萄糖Glc）進(jìn)行表示。
A圖中，Fv/Fm反映了光系統(tǒng)II (PSII)的效率。混合營(yíng)養(yǎng)組的總體變化趨勢(shì)與自養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)組相同。晝夜節(jié)律組的Fv/Fm在培養(yǎng)早期相對(duì)穩(wěn)定，在后期迅速下降——可能由于細(xì)胞數(shù)量的迅速增加，單個(gè)細(xì)胞接收到的光更加有限。異養(yǎng)組持續(xù)保持極低的PSII效率。
B圖展示了借助OJIP程序在第6天測(cè)定的多個(gè)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)相比于混合營(yíng)養(yǎng)組，晝夜節(jié)律組的單位反應(yīng)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(gè)活躍反應(yīng)中心的捕獲能量(TRo/RC)下降7.10% (p <0.05)。這可能是由于長(zhǎng)期光照導(dǎo)致混合營(yíng)養(yǎng)組反應(yīng)中心關(guān)閉所致。
與自養(yǎng)組相比，添加葡萄糖的三組的TRo/ABS和ETo/ABS值均有所下降，說(shuō)明葡萄糖的存在降低了吸收能量的捕獲和傳遞。此外，異養(yǎng)組與混合營(yíng)養(yǎng)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(xù)黑暗培養(yǎng)導(dǎo)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(yǎng)組細(xì)胞中的反應(yīng)中心大量關(guān)閉。
從C圖中的OJIP快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)曲線，可發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)組和混合營(yíng)養(yǎng)組的曲線形狀特征相似。而晝夜節(jié)律組和異養(yǎng)組的曲線形狀發(fā)生了變化——與自養(yǎng)組相比，兩組J點(diǎn)的熒光強(qiáng)度Vj分別變化了?10.05%和33.17%，I點(diǎn)的熒光強(qiáng)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(shí)間的減少而降低。
D圖展示了呼吸速率隨時(shí)間的變化曲線。與自養(yǎng)組相比，添加葡萄糖的三組的呼吸速率均有所提高。這是因?yàn)槠咸烟堑拇嬖谀軌蛴行Т龠M(jìn)有氧呼吸，釋放能量，并產(chǎn)生丙酮酸合成代謝物。在第3天，異養(yǎng)組和晝夜節(jié)律組的呼吸作用明顯增強(qiáng)，較自養(yǎng)組分別提高了145.12%和63.67%。這一現(xiàn)象表明，在沒(méi)有光的情況下，異養(yǎng)組通過(guò)上調(diào)呼吸來(lái)維持生長(zhǎng)。在晝夜節(jié)律組中，呼吸速率的增加可能意味著更多能量產(chǎn)生和更快的生長(zhǎng)。
通過(guò)以上細(xì)致詳盡的分析，揭示了不同培養(yǎng)模式下海洋綠藻生長(zhǎng)狀態(tài)不同的生理基礎(chǔ)。
藻類(lèi)光合檢測(cè)套件是由北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司為藻類(lèi)科研工作者量身定制的藻類(lèi)光合作用測(cè)量方案，能夠幫助研究人員輕松、完整地獲取藻類(lèi)光合生理數(shù)據(jù)，具有小巧便攜、易操作、高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)。
檢測(cè)套件既能測(cè)定藻類(lèi)的氣體交換參數(shù)，如光合放氧速率、暗呼吸速率、凈光合速率，也能夠測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括F0、Ft、Fm、Fm’、QY、QY_Ln、QY_Dn、NPQ、Qp、Rfd、Area、Mo、Sm、PI、ABS/RC等50多個(gè)參數(shù)，從而全面檢測(cè)、評(píng)估藻類(lèi)的光合-呼吸作用中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化。
套件幫助微藻固碳、水質(zhì)凈化、全球變化、代謝生理等各個(gè)研究領(lǐng)域的藻類(lèi)科研工作者輕松獲得了準(zhǔn)確、全面的藻類(lèi)光合數(shù)據(jù)，僅舉兩例：
1. 顆石藻是海洋中最重要的鈣化生物類(lèi)群之一，也是主要的初級(jí)生產(chǎn)者，同時(shí)進(jìn)行光合與鈣化兩種固碳作用（兩者分別是碳匯和碳源過(guò)程），因此在海洋碳循環(huán)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(jié)構(gòu)的顆石球(Coccosphere)。英國(guó)海洋生物協(xié)會(huì)和美國(guó)北卡萊羅納大學(xué)威明頓分校聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)：不同種的顆石藻對(duì)鈣化作用的需求不同，破壞鈣化作用會(huì)導(dǎo)致某些種的顆石藻無(wú)法維持完整的顆石球，產(chǎn)生細(xì)胞周期阻滯現(xiàn)象和重大的生長(zhǎng)缺陷。但沒(méi)有證據(jù)證明鈣化作用會(huì)影響光合作用。論文發(fā)表于2018年《New Phytologist》雜志。
2. Ben等人調(diào)查研究了有機(jī)污染物雙酚A（BPA）對(duì)嗜堿性綠藻Picocystis 的影響及后者對(duì)前者的去除能力，發(fā)現(xiàn)暴露于低濃度（＜25mg/L）BPA 5天不會(huì)抑制Picocystis的生長(zhǎng)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?。▋艄夂纤俾式咏銜r(shí)，Fv/Fm仍至少為0.2），最終對(duì)其生長(zhǎng)的抑制也不超過(guò)43%。高濃度BPA暴露下的Picocystis能夠同時(shí)促進(jìn)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(jī)制。并且Picocystis通過(guò)生物降解和轉(zhuǎn)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(zhì)凈化方面具有巨大的潛力。論文發(fā)表于2018年《Ecotoxicology and Environmental Safety》雜志。
參考文獻(xiàn)：
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.
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