化石燃料消耗造成的能源短缺和环境污染已成为全球性问题。可再生生物燃料作为一种可持续、无毒、环保的燃料,受到人们越来越多的关注。有趣的是,微藻具有生态栖息地多样化、光合效率高、生长速度快、不与农作物竞争土地等优点,使其成为一种前景广阔的可再生生物能源的原料。
脂质是高度还原的代谢物,TAG的生物合成需要大量的还原力。在脂肪酸生物合成途径中,提供还原力被认为是富含油脂的生物的主要代谢需求。提供还原力(NADPH)被认为是脂肪酸生物合成的关键因素。苹果酸酶(malic enzyme,ME)存在于细菌、真菌、动物和植物中。它是一种高活性酶,在Mn2+或Mg2+存在下催化苹果酸氧化脱羧为丙酮酸和CO2,并将NAD(P)+还原为NAD(P))H。苹果酸酶可以促进产油生物细胞中NADPH 的产生,而NADPH 在产油生物的脂肪酸积累过程中起着至关重要的作用。目前,对于ME的研究主要集中在植物和哺乳动物中,在盐藻(Dunaliella parva)中的作用知之甚少。
本研究以盐藻为材料,克隆盐藻苹果酸酶基因DpME,将DpME的ORF克隆到表达载体中形成重组载体,并将其转化到盐藻细胞中获得过表达DpME的工程藻种。此外,比较在缺氮/正常培养条件下野生藻和工程藻在生长、脂肪酸组成、脂质含量、蛋白质含量、碳水化合物含量、淀粉含量、色素含量、ME活性和DpME的mRNA水平等方面的差异,且重点关注油脂含量及脂肪酸组成。研究结果显示WT-N-、DpME和DpME-N-组的脂质含量明显高于WT组。同时,与DpME组相比,DpME-N-组在15 d和18 d的油脂含量进一步提高。研究表明DpME过表达和氮限制均能显著提高油脂积累,且DpME过表达对脂质积累的影响更明显。此外,DpME过表达和氮限制对脂肪酸组成有轻微的影响。本研究将DpME过表达的工程藻种与氮限制处理相结合,提供了一种有前途的微藻培养模式,可进一步促进微藻生物柴油生产技术的发展。
图1 第15/18天的油脂含量
图2 第15/18天的ME酶活性
Fatty acid | WT group (%) | DpME group (%) | WT-N- group (%) | DpME-N- group (%) |
C16:0 | 27.92±1.73 | 25.82±1.90 | 29.15±2.20 | 26.49±1.54 |
C18:0 | 1.57±0.03 | 1.59±0.13 | 1.42±0.06 | 1.14±0.14 |
C20:0 | 1.77±0.08 | 1.87±0.24 | 1.84±0.13 | 1.87±0.42 |
SFA | 31.26 | 29.28 | 32.41 | 29.5 |
C16:1 | 5.77±0.36 | 8.97±0.50 | 6.22±0.44 | 8.48±0.31 |
C18:1 | 13.34±0.82 | 14.25±0.44 | 15.62±0.61 | 14.18±1.01 |
MUFA | 19.11 | 23.22 | 21.84 | 22.66 |
C18:2 | 47.36±0.95 | 44.38±1.16 | 46.64±1.60 | 47.93±1.71 |
PUFA | 47.36 | 44.38 | 46.64 | 47.93 |
表1 第18天的脂肪酸组成
2024年8月15日,尚常花副教授课题组在国际学术期刊《Bioresource Technology》在线发表题为“Combined effects of nitrogen limitation and overexpression of malic enzyme gene on lipid accumulation in Dunaliella parva”的最新研究成果。2022级生物学专业硕士研究生梁莳屿为第一作者,尚常花副教授为通讯作者。《Bioresource Technology》是环境科学与生态学大类中科院1区Top期刊,最新IF=9.7。本论文得到广西重点研发计划项目(2023AB01132和2021AB27009)及广西研究生教育创新计划项目(YCSW2024164)的资助。