從中國科學(xué)院水生生物研究所了解到,該所研究人員以海洋微擬球藻為對象,發(fā)現(xiàn)了一種用于替代TAG(三酰甘油)的新碳儲存分子——低不飽和?;字R掖及贰O嚓P(guān)研究成果發(fā)表在Plant Physiology。
微擬球藻是一類屬于真眼點(diǎn)藻綱、球形或近似球形的單細(xì)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。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(yè)化生產(chǎn)EPA 的優(yōu)質(zhì)原料,也是魚類幼體和輪蟲的餌料,已被批準(zhǔn)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(zhuǎn)化體系的建立,該屬的種類已成為最具潛力的工業(yè)產(chǎn)油模式研究藻種。
水生所研究員胡晗華團(tuán)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(chǔ)研究。他們首先在所有6個海洋種類中建立起了基于PCR產(chǎn)物的高效遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及基于RNA干擾的基因敲降體系,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(xué)預(yù)處理的方式實現(xiàn)了基于電穿孔的高效遺傳轉(zhuǎn)化。
海洋微擬球藻是該屬中最為常用的一個模式產(chǎn)油藻種,它的高油含量與基因組中含有多達(dá)13個參與TAG合成的二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶(DGAT)有關(guān)。此外,它的基因組還編碼一個磷脂:二酰甘油?;D(zhuǎn)移酶(PDAT),也能催化合成TAG。與DGAT以?;o酶A作為?;w不同,PDAT通常依賴極性脂作為?;w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(xì)胞內(nèi)PDAT和DGAT的功能在進(jìn)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。海洋微擬球藻含有分別在脅迫和非脅迫下起作用的DGAT,它的PDAT在脂質(zhì)調(diào)控方面扮演什么角色呢?
近日,該課題組以海洋微擬球藻為對象,揭示了PDAT在調(diào)控脂質(zhì)代謝、匯集細(xì)胞內(nèi)碳流方面的重要作用,并發(fā)現(xiàn)在脅迫條件下細(xì)胞合成一種用于替代TAG的新的碳儲存分子——低不飽和?;字R掖及?。
基于系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),微擬球藻PDAT(NoPDAT)與其他光合生物的PDAT存在較遠(yuǎn)的親緣關(guān)系,精細(xì)定位發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)定于葉綠體最外一層膜——葉綠體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜,也暗示NoPDAT與其他光合生物可能在功能上存在差異。通過對NoPDAT過量表達(dá)、敲降藻株的表型分析發(fā)現(xiàn),NoPDAT對細(xì)胞內(nèi)TAG積累的貢獻(xiàn)至少占30%,并且其功能的缺失并沒有引發(fā)調(diào)控任一DGAT的補(bǔ)償機(jī)制。
研究人員還發(fā)現(xiàn),NoPDAT的突變導(dǎo)致了細(xì)胞內(nèi)一類新的磷脂酰乙醇胺(PE)的大量積累,這類特殊的PE與細(xì)胞內(nèi)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?;荂16:0、C16:1或C18:1等低不飽和脂肪酸,特稱為“LU-PE”。
據(jù)了解,細(xì)胞內(nèi)LU-PE的含量還與培養(yǎng)的CO2濃度顯著正相關(guān)。過量表達(dá)或/和敲降與PE合成和降解路徑所有相關(guān)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(diào)控。此外,NoPDAT突變還激活細(xì)胞合成縮醛磷脂(PME),其含量也與CO2濃度顯著正相關(guān)。
研究人員認(rèn)為,這些結(jié)果表明,NoPDAT突變導(dǎo)致的TAG合成受阻,將使得細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞內(nèi)主要的
碳匯。
縮醛磷脂是一種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,它的不足與阿爾茨海默癥等老年疾病有著密切的關(guān)聯(lián)。以前的研究認(rèn)為光合生物不能合成這種磷脂。該研究的新發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)使用微藻商業(yè)化生產(chǎn)縮醛磷脂提供一種可能途徑。目前已被授權(quán)了一項題為“一種可提高微藻縮醛磷脂含量的方法及RNA干擾片段”的發(fā)明專利。
本研究得到國家自然科學(xué)基金和重大研究計劃等項目的資助,主要由水生所的研究人員完成。
北京大學(xué)、中國農(nóng)科院油料作物研究所、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)和美國馬里蘭大學(xué)的研究人員參與了部分研究工作。
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