發(fa)現海(hai)洋(yang)綠(lv)藻生物(wu)量(liang)和(he)直(zhi)鏈澱粉(fen)超(chao)量積累(lei)的調控新(xin)方(fang)法(fa)

微藻澱粉(fen)可開發為生物(wu)能(neng)源(yuan)、食(shi)品(pin)和生物(wu)塑(su)料。缺(que)氮/限氮可使澱粉(fen)積(ji)累達(da)到幹重(zhong)的50%以(yi)上(shang)，是綠(lv)藻澱粉(fen)累(lei)積的方(fang)法(fa)。然(ran)而(er)，營養(yang)脅迫(po)會(hui)抑(yi)制(zhi)藻類細(xi)胞(bao)的生長(chang)，限(xian)制(zhi)澱粉(fen)的生產(chan)速度(du)。為此(ci)，華東理(li)工大(da)學(xue)生物(wu)反應(ying)器工程國家(jia)重(zhong)點實(shi)驗室的研究(jiu)人(ren)員提(ti)出了壹(yi)種(zhong)新的調控方(fang)法(fa)，促(cu)進了新(xin)分離的綠(lv)藻Platymonas helgolandica的生長(chang)和(he)高(gao)直(zhi)鏈澱粉(fen)積(ji)累——即(ji)通(tong)過(guo)添加(jia)外源(yuan)性葡萄糖和(he)控(kong)制適(shi)當(dang)的晝夜(ye)節(jie)律時(shi)間，可獲得(de)最大的幹重(zhong)積(ji)累(lei)(Light:Dark = 12:12)和最(zui)大的澱粉(fen)濃(nong)度(du)(Light:Dark = 6:18)。研究(jiu)成果(guo)刊登(deng)在2022年《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》雜誌(zhi)。

為進壹(yi)步揭(jie)示不(bu)同培(pei)養(yang)模式下綠(lv)藻生理(li)狀(zhuang)態(tai)的差異(yi)，研(yan)究人(ren)員使用(yong)了藻類光合(he)檢測(ce)套件(jian)測(ce)定了自(zi)養(yang)組(24:0，−Glc)、混合(he)營養(yang)組(24:0，+Glc)、晝夜(ye)節(jie)律組(zu)(6:18，−Glc) 和異(yi)養(yang)組(0:24，+Glc)的葉綠(lv)素(su)熒光參數(shu)和呼(hu)吸速率，上(shang)述(shu)培(pei)養(yang)模式以(yi)（光照小時(shi)數(shu)：暗(an)黑小時(shi)數(shu)，有(you)無(wu)添(tian)加(jia)外源(yuan)葡萄糖Glc）進行表(biao)示。

A圖(tu)中，Fv/Fm反映了光系統(tong)II (PSII)的效(xiao)率。混合(he)營養(yang)組的總(zong)體(ti)變化(hua)趨(qu)勢(shi)與(yu)自(zi)養(yang)營養(yang)組相(xiang)同。晝(zhou)夜(ye)節(jie)律組(zu)的Fv/Fm在培養(yang)早(zao)期(qi)相(xiang)對穩(wen)定，在後期(qi)迅速下降(jiang)——可能由於(yu)細(xi)胞(bao)數(shu)量的迅速增(zeng)加(jia)，單個(ge)細(xi)胞(bao)接收(shou)到的光更加(jia)有(you)限(xian)。異(yi)養(yang)組持(chi)續(xu)保(bao)持極低(di)的PSII效(xiao)率。

B圖(tu)展(zhan)示(shi)了借(jie)助OJIP程序在第6天測(ce)定的多個(ge)參(can)數(shu)。發現(xian)相(xiang)比於(yu)混合(he)營養(yang)組，晝(zhou)夜(ye)節(jie)律組(zu)的單位(wei)反應(ying)中心(RC)吸收(shou)能量(ABS/RC)和電(dian)子(zi)傳(chuan)遞(di)能量(liang)(ETo/RC)的變化(hua)不(bu)明顯(xian)，而(er)每個活(huo)躍(yue)反應(ying)中心的捕獲能量(liang)(TRo/RC)下降(jiang)7.10% (p <0.05)。這可能是由於(yu)長期(qi)光照導(dao)致(zhi)混合(he)營養(yang)組反應(ying)中心關閉(bi)所(suo)致(zhi)。

與自(zi)養(yang)組相(xiang)比，添(tian)加(jia)葡萄糖的三組的TRo/ABS和ETo/ABS值(zhi)均有(you)所(suo)下降(jiang)，說(shuo)明(ming)葡萄糖的存在降(jiang)低(di)了吸收(shou)能量的捕獲和傳(chuan)遞(di)。此外，異養(yang)組與(yu)混(hun)合(he)營養(yang)組比(bi)較(jiao)，TRo/ABS下降(jiang)15.98%(p <0.05)，DIo/RC提(ti)高(gao)76.52% (p <0.05)，表(biao)明連續(xu)黑(hei)暗(an)培養(yang)導致(zhi)了能(neng)量捕獲的顯(xian)著(zhu)減(jian)少(shao)和能量消耗(hao)效(xiao)率的顯(xian)著(zhu)增(zeng)加(jia)；ABS/RC增(zeng)加(jia)18.03% (p <0.05)，這可能反映了異(yi)養(yang)組細(xi)胞(bao)中的反應(ying)中心大(da)量(liang)關閉(bi)。

從(cong)C圖(tu)中的OJIP快速葉(ye)綠(lv)素(su)熒光動力(li)學(xue)曲線，可發現自(zi)養(yang)組和(he)混(hun)合(he)營養(yang)組的曲線(xian)形(xing)狀(zhuang)特(te)征(zheng)相(xiang)似。而(er)晝夜(ye)節(jie)律組(zu)和異(yi)養(yang)組的曲線(xian)形(xing)狀(zhuang)發(fa)生了變化(hua)——與(yu)自(zi)養(yang)組相(xiang)比，兩(liang)組(zu)J點的熒光強度(du)Vj分別變化(hua)了−10.05%和33.17%，I點的熒光強度(du)Vi分別變化(hua)了−25.17%和−3.40%。最終(zhong)，兩(liang)組(zu)的Fv/Fm分別降(jiang)低(di)了9.71%和20.67%，反映出PSII效(xiao)率隨(sui)著(zhe)光照時(shi)間的減少(shao)而(er)降(jiang)低(di)。

D圖(tu)展(zhan)示(shi)了呼(hu)吸速率隨(sui)時間(jian)的變化(hua)曲(qu)線(xian)。與(yu)自(zi)養(yang)組相(xiang)比，添(tian)加(jia)葡萄糖的三組的呼吸速率均有(you)所(suo)提(ti)高(gao)。這是因為葡萄糖的存在能夠(gou)有(you)效(xiao)促(cu)進有(you)氧呼吸，釋放(fang)能量(liang)，並產(chan)生丙酮酸合(he)成代謝(xie)物(wu)。在第3天，異(yi)養(yang)組和(he)晝(zhou)夜(ye)節(jie)律組(zu)的呼吸作(zuo)用(yong)明(ming)顯(xian)增(zeng)強(qiang)，較(jiao)自(zi)養(yang)組分(fen)別提(ti)高(gao)了145.12%和63.67%。這壹(yi)現象表(biao)明，在沒(mei)有(you)光的情況下，異養(yang)組通(tong)過(guo)上(shang)調呼吸來維(wei)持生長(chang)。在晝夜(ye)節(jie)律組(zu)中，呼(hu)吸速率的增(zeng)加(jia)可能意味著(zhe)更多(duo)能(neng)量產(chan)生和(he)更(geng)快(kuai)的生長(chang)。

通(tong)過(guo)以(yi)上(shang)細(xi)致(zhi)詳(xiang)盡的分析(xi)，揭(jie)示(shi)了不(bu)同培(pei)養(yang)模式下海(hai)洋(yang)綠(lv)藻生長(chang)狀(zhuang)態(tai)不(bu)同的生理(li)基礎。

藻類光合(he)檢測(ce)套件(jian)是由北(bei)京(jing)易(yi)科泰(tai)生態(tai)技術有(you)限(xian)公(gong)司為(wei)藻類科(ke)研工作(zuo)者(zhe)量身(shen)定制的藻類光合(he)作用(yong)測(ce)量(liang)方(fang)案(an)，能(neng)夠(gou)幫(bang)助研究人(ren)員輕松、完整(zheng)地獲取(qu)藻類光合(he)生理(li)數(shu)據，具有(you)小巧(qiao)便攜(xie)、易(yi)操作(zuo)、高(gao)性價(jia)比(bi)的特點。

檢測(ce)套件(jian)既能(neng)測(ce)定藻類的氣體(ti)交換(huan)參數(shu)，如光合(he)放氧速率、暗(an)呼吸速率、凈光合(he)速率，也能(neng)夠(gou)測(ce)定葉綠(lv)素(su)熒光參數(shu)，包括(kuo)F0、Ft、Fm、Fm’、QY、QY_Ln、QY_Dn、NPQ、Qp、Rfd、Area、Mo、Sm、PI、ABS/RC等50多個(ge)參數(shu)，從(cong)而(er)全面(mian)檢測(ce)、評(ping)估藻類的光合(he)-呼吸作(zuo)用(yong)中(zhong)物(wu)質(zhi)和(he)能量轉(zhuan)化(hua)。

套件(jian)幫(bang)助微藻固(gu)碳(tan)、水質(zhi)凈(jing)化(hua)、全球變化(hua)、代謝(xie)生理(li)等各個(ge)研(yan)究領域(yu)的藻類科(ke)研工作(zuo)者(zhe)輕松獲得(de)了準確、全面(mian)的藻類光合(he)數(shu)據，僅舉兩(liang)例(li)：

1. 顆石藻是海(hai)洋(yang)中最(zui)重(zhong)要(yao)的鈣化(hua)生物(wu)類群(qun)之壹(yi)，也是主(zhu)要的初(chu)級(ji)生產(chan)者(zhe)，同時進行光合(he)與鈣(gai)化(hua)兩(liang)種(zhong)固(gu)碳(tan)作用(yong)（兩(liang)者(zhe)分(fen)別是碳(tan)匯和碳(tan)源(yuan)過(guo)程），因此在海(hai)洋(yang)碳(tan)循(xun)環(huan)中(zhong)起到(dao)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。顆(ke)石藻表(biao)面(mian)往往覆蓋壹(yi)層(ceng)又(you)壹(yi)層(ceng)的顆石粒（Coccolith），形成殼(ke)狀(zhuang)結構的顆石球(Coccosphere)。英國海(hai)洋(yang)生物(wu)協會(hui)和(he)美(mei)國北(bei)卡萊(lai)羅(luo)納大學威明(ming)頓分校(xiao)聯(lian)合(he)研究(jiu)發現(xian)：不(bu)同種(zhong)的顆石藻對(dui)鈣(gai)化(hua)作(zuo)用(yong)的需求不(bu)同，破壞鈣化(hua)作(zuo)用(yong)會(hui)導(dao)致(zhi)某些(xie)種(zhong)的顆石藻無(wu)法(fa)維持完整(zheng)的顆石球，產(chan)生細(xi)胞(bao)周期(qi)阻滯現象和重(zhong)大(da)的生長(chang)缺(que)陷。但沒(mei)有(you)證據證明鈣(gai)化(hua)作(zuo)用(yong)會(hui)影(ying)響(xiang)光合(he)作用(yong)。論(lun)文(wen)發表(biao)於(yu)2018年《New Phytologist》雜誌(zhi)。

2. Ben等人(ren)調查研(yan)究(jiu)了有(you)機(ji)汙染(ran)物雙(shuang)酚(fen)A（BPA）對嗜(shi)堿(jian)性綠(lv)藻Picocystis 的影響(xiang)及(ji)後者對(dui)前者(zhe)的去除能(neng)力(li)，發(fa)現暴露於(yu)低(di)濃度(du)（＜25mg/L）BPA 5天不(bu)會(hui)抑(yi)制(zhi)Picocystis的生長(chang)和(he)光合(he)作用(yong)；而(er)高濃(nong)度(du)（50-75mg/L）BPA暴露(lu)盡管(guan)使Picocystis的凈光合(he)速率急劇(ju)下降(jiang)，但PSII活性受(shou)到(dao)的影響(xiang)較(jiao)小（凈(jing)光合(he)速率接近(jin)零時，Fv/Fm仍至少(shao)為(wei)0.2），最終(zhong)對其(qi)生長(chang)的抑(yi)制(zhi)也不(bu)超(chao)過43%。高濃(nong)度(du)BPA暴露(lu)下的Picocystis能夠(gou)同(tong)時(shi)促(cu)進多種(zhong)抗(kang)氧化(hua)酶(mei)的活性，可視作避免(mian)PSII受到(dao)額外損(sun)傷的防(fang)禦機(ji)制。並(bing)且Picocystis通(tong)過(guo)生物(wu)降(jiang)解(jie)和(he)轉(zhuan)化(hua)，高(gao)效(xiao)率地移(yi)除了BPA。因此(ci)，高耐(nai)受(shou)性和(he)高(gao)移(yi)除率使Picocystis在雙(shuang)酚(fen)A的水質(zhi)凈(jing)化(hua)方(fang)面(mian)具有(you)巨(ju)大(da)的潛力(li)。論(lun)文(wen)發表(biao)於(yu)2018年《Ecotoxicology and Environmental Safety》雜誌(zhi)。

參考文(wen)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.