我國科學家在產油海洋微擬球藻中發現一種碳匯的新分子

微擬球藻是一類屬于真眼點藻綱、球形或近似球形的單細胞真核生物。與其他真核微藻顯著不同的是，該屬的種類除葉綠素a外，并不含有其他類型的葉綠素。目前，該屬有7個已定種。它們具有較高的光合作用效率、生物量和油脂（三酰甘油，TAG）含量，富含二十碳五烯酸（EPA），是工業化生產EPA的優質原料，也是魚類幼體和輪形動物的餌料，已被批準作為人類新食品的原料。近年來，由于基因組序列的公布及遺傳轉化體系的建立，該屬的種類已成為具有潛力的工業產油模式研究藻種。

中國科學院水生生物研究所研究員胡晗華團隊保存有該屬的所有種類及眾多株系，十多年來以這些藻株為對象開展了系列基礎研究。研究人員首先在所有6個海洋種類中建立起了基于PCR產物的高效遺傳轉化系統（Bioscience， Biotechnology， and Biochemistry， 2014）及基于RNA干擾的基因敲降體系（Plant Journal， 2017），并通過多年努力在該屬中唯一的一個淡水藻——湖泊微擬球藻中利用化學預處理的方式實現了基于電穿孔的高效遺傳轉化（World Journal of Microbiology and Biotechnology， 2019）。

海洋微擬球藻（N. oceanica）是該屬中常用的一個模式產油藻種，其高油含量與基因組中含有多達13個參與TAG合成的二酰甘油酰基轉移酶（DGAT）有關。此外，其基因組還編碼一個磷脂——二酰甘油酰基轉移酶（PDAT），也能催化合成TAG。與DGAT以酰基輔酶A作為酰基供體不同，PDAT通常依賴極性脂作為酰基供體合成TAG。對酵母、萊茵衣藻和擬南芥等模式生物的研究表明，細胞內PDAT和DGAT的功能在進化上可能是保守的，PDAT主要在非脅迫下起作用，而DGAT在脅迫下起作用。

近日，該課題組以海洋微擬球藻為對象，揭示了PDAT在調控脂質代謝、匯集細胞內碳流方面的重要作用，并發現在脅迫條件下細胞合成一種用于替代TAG的新的碳儲存分子——低不飽和酰基磷脂酰乙醇胺。基于系統進化分析發現，微擬球藻PDAT（NoPDAT）與其他光合生物的PDAT存在較遠的親緣關系，精細定位發現該蛋白質定于葉綠體最外一層膜——葉綠體內質網膜（二次內共生中來自寄主內膜），暗示NoPDAT與其他光合生物可能在功能上存在差異。對NoPDAT過量表達、敲降藻株的表型分析發現，NoPDAT對細胞內TAG積累的貢獻至少占30%，其功能缺失沒有引發調控任一DGAT的補償機制。

研究人員還發現，NoPDAT的突變導致了細胞內一類新的磷脂酰乙醇胺（PE）大量積累，這類特殊的PE與細胞內富含多不飽和脂肪酸（C20∶4和C20∶5）的功能性PE不同，它們的脂酰基是C16∶0、C16∶1或C18∶1等低不飽和脂肪酸，特稱為“LU-PE”。細胞內LU-PE的含量還與培養的CO2濃度顯著正相關。過量表達或/和敲降與PE合成和降解路徑所有相關基因均檢測不到LU-PE的積累，提示LU-PE的積累可能僅受NoPDAT調控。此外，NoPDAT突變還激活細胞合成縮醛磷脂（PME），其含量也與CO2濃度顯著正相關。結果表明，NoPDAT突變導致的TAG合成受阻，將使得細胞內的碳流向LU-PE及縮醛磷脂，尤其在高濃度CO2條件下，LU-PE將替代TAG成為細胞內主要的碳匯。

縮醛磷脂是存在于幾乎所有人類組織的特殊醚磷脂，在大腦里含量最高，縮醛磷脂不足與阿爾茨海默病等老年疾病有密切關聯。已有研究認為光合生物不能合成該磷脂。該研究為實現使用微藻商業化生產縮醛磷脂提供可能途徑，目前已被授權一項題為“一種可提高微藻縮醛磷脂含量的方法及RNA干擾片段”的發明專利。

相關研究成果以PDAT regulates PE as transient carbon sink alternative to triacylglycerol in Nannochloropsis為題，發表在Plant Physiology雜志上。研究工作得到國家自然科學基金和重大研究計劃等的資助。

（來源：中國科學院水生生物研究所）