球等鞭金藻在产油过程中的光合响应及其蛋白质组学分析

【摘要】日益减少的石油储存以及化石燃料引起的环境污染，是当前人类社会发展所面临的重大问题。产油微藻作为制备生物柴油的可再生原料，是解决能源问题的重要途径。而提高微藻油脂含量则需要详细认知微藻的培养条件、油脂合成和代谢调控机制。目前，两步培养法被广泛用于提高微藻的产油量，第一步是藻细胞在营养充足的条件下快速生长，以获得较高的生物量；第二步是将藻细胞转至营养缺乏的培养条件下，以促进细胞内油脂积累。培养基中的氮和磷是影响微藻生长及油脂积累的主要元素。营养充足如适当的氮磷浓度均能促进微藻的生长，而藻细胞内油脂积累主要是由于氮或磷缺乏的胁迫。本研究通过分析氮磷浓度对球等鞭金藻生长和光合反应状态的影响，缺氮胁迫下球等鞭金藻的油脂合成以及在油脂积累过程中藻细胞内蛋白质组学变化，并初步探讨球等鞭金藻的油脂代谢机制，以期为提高微藻油脂产量提供基础资料和数据。主要进展如下：1.分析了不同氮浓度下球等鞭金藻生长和光合反应的状态变化。结果显示，在缺氮和低氮（0.44mM）条件下球等鞭金藻生长均受到了限制，主要体现于细胞密度和叶绿素含量显著降低，光合效率亦明显下降；随着氮浓度的增加，藻细胞生长速率也逐渐增加，在1.76mM氮浓度下，球等鞭金藻的生长速率最高，其细胞密度和叶绿素含量大幅度增加，光合效率也保持在较高水平；而在3.52mM氮浓度下，球等鞭金藻生长受到抑制，表现为细胞密度、叶绿素含量和光合效率明显下降。由此看出，氮浓度对球等鞭金藻生长和光合反应有明显影响，过低或过高的氮浓度均不利于藻细胞生长。2.基于上述氮浓度实验，分析了缺磷条件下球等鞭金藻生长和光合反应的状态变化。结果显示，在低氮（0.44mM）和标准氮浓度（0.88mM）下，加磷组（0.05mM）和缺磷组球等鞭金藻在细胞密度、叶绿素含量和光合效率上均无明显差异；在1.76mM氮浓度下，缺磷组细胞密度、叶绿素含量和光合效率均远远低于加磷组；在3.52mM氮浓度下，缺磷组细胞密度和光合效率明显低于加磷组，但在叶绿素含量上无显著差异。由此看出，缺磷虽然限制球等鞭金藻的生长和光合反应，但氮亏缺可遮蔽缺磷的作用效果，而随着氮浓度的增加，缺磷对藻细胞生长的限制才更为显著。3.通过分析标准氮浓度（0.88mM）和氮缺乏条件下球等鞭金藻油脂含量的变化，发现缺氮球等鞭金藻的蛋白质合成明显减少，生长速率和光合效率也显著下降，与此同时藻细胞内总脂含量和脂肪酸含量明显增加，且缺氮组饱和脂肪酸相对含量明显高于标准氮组。这表明，缺氮虽然限制球等鞭金藻生长，但诱导藻细胞内油脂尤其是三酰甘油的积累。4.通过双向电泳和质谱等蛋白质组学技术，比较了标准氮浓度（0.88mM）与氮缺乏条件下球等鞭金藻油脂积累过程中的蛋白质表达变化，发现球等鞭金藻在缺氮培养第2天有更多的蛋白表达，且与标准氮组有明显差异。找到45个共同表达的差异蛋白点，成功鉴定了36个蛋白点，其中32个蛋白点（代表23种蛋白）上调，4个蛋白点（代表4种蛋白）下调。根据分子功能，这些蛋白被分成七大类：能量生成与转化相关蛋白（13个点）、代谢相关蛋白（12个点）、信号转导蛋白（1个点）、分子伴侣蛋白（2个点）、转录和翻译相关蛋白（3个点）、免疫防御相关蛋白（2个点）和细胞骨架蛋白（3个点）。这些蛋白的表达变化影响着球等鞭金藻的油脂积累，其中八个关键酶通过直接或间接途径参与藻细胞内油脂代谢，分别是3-磷酸甘油醛、磷酸甘油酸激酶、烯醇酶、天冬氨酸转氨酶、延胡索酸水化酶、柠檬酸合酶、氧乙酰丝氨酸裂解酶和ATP硫酸化酶。糖酵解和三羧酸转运体系是主要的油脂合成代谢途径，而三羧酸循环、乙醛酸循环和硫同化是主要的油脂分解代谢途径。
【作者】宋萍萍；
【导师】刘建国；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（海洋研究所），海洋生物学，2013，博士
【关键词】球等鞭金藻；氮浓度；磷浓度；叶绿素荧光；油脂积累；蛋白质组学分析；

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