微藻是一类光合自养植物,具有繁殖速度快,光合效率高,培养周期短等特点,微藻规模化培养被认为是实现高效CO2固定和生物能源生产的理想途径之一。目前,微藻规模化培养方式主要有基于开放式跑道池和密闭的光生物反应器的液体悬浮培养。与这两种液体悬浮培养方式相比,新近建立的吸附式生物膜培养微藻能够获得更多的微藻生物质。然而,关于微藻生物膜培养模式下由于大水体减少对藻细胞生理及代谢造成的影响和作用机制尚不清楚。因此,本文以栅藻为实验藻种,以固体BG11培养基作为其生长的营养物质,通过向培养基中添加不同浓度的琼脂制备含水量不同的生物膜,以液体悬浮培养为对照,研究不同培养模式及生物膜含水量对栅藻生长及生理的影响,从生理水平探究不同培养模式下栅藻生长及产物积累特征。其次,选取在0.2%和5%琼脂浓度生物膜培养下的栅藻为对象,研究生物膜培养条件下栅藻碳代谢网络/通路关键酶活性对不同培养方式和生物膜含水量的响应。然后,采用转录组学方法,分析生物膜培养和悬浮培养之间的栅藻差异表达基因,试图从差异基因富集、功能及代谢路径揭示栅藻在生物膜培养条件下全局性生理生化分子表征,深入了解微藻细胞物质代谢流向及流量的调控机制。最后,选取碳代谢途径关键酶基因,在烟草叶片瞬时表达,检测烟叶靶标酶活性等生理生化参数,鉴定目标酶基因异源表达的生物学功能,以及评估这些藻源关键碳通路酶基因在作物光合固碳遗传改良上的应用潜力。全文主要研究结果如下:1.与液体悬浮培养相比,生物膜培养的栅藻生物量和群体光合效率高。随着培养基中琼脂浓度的升高,栅藻生物膜含水量逐渐降低。生物膜培养相对于悬浮培养,微藻生物量积累更多。在通空气的情况下,生物膜培养7 d后的栅藻生物量为65.79～85.28 g·m-2均高于液体悬浮培养36.40 g·m-2,并且生物膜培养的生物量产率最高达到10.78 g·m-2·d-1,远远高于悬浮培养的3.80 g·m-2·d-1,同时生物膜培养栅藻的油脂产率为1.93～2.70 g·m-2·d-1均高于对照悬浮培养0.73 g·m-2·d-1。生物膜培养的栅藻色素含量在高生物膜含水量下与悬浮培养相似,但低生物膜含水量下要低于悬浮培养。结合色素含量和叶绿素荧光参数总体分析,生物膜培养栅藻的光合能力不如液体悬浮培养,但生物膜培养避免了光在液体中的耗散,使更多的细胞可得到有效光照,从而表现出整体高的光合效率与生物量产率。在通2%CO2的条件下,生物膜培养较悬浮培养能够积累更多的微藻生物量,并且通CO2时,无论生物膜培养还是悬浮培养所获得的生物量均显著高于通空气时。2.低琼脂浓度生物膜培养显著提高栅藻细胞Rubisco酶、丙酮酸激酶和6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性。对生物膜培养和悬浮培养条件下的栅藻碳代谢的Rubisco酶、丙酮酸激酶和6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性进行测定,结果表明,在0.2%琼脂浓度下Rubisco酶活性最高,悬浮培养Rubisco酶活性次之,5%琼脂浓度下Rubisco酶活性最低。丙酮酸激酶活性与Rubisco酶活性趋势一致。生物膜培养下6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性都显著高于液体悬浮培养。3.转录组分析揭示与悬浮培养相比,生物膜培养显著影响栅藻光合作用、氧化磷酸化途径以及脂肪酸合成等途径。生物膜培养的栅藻中光系统Ⅱ中D1和D2蛋白基因（PsbA、PsbD）表达下调,表明生物膜培养抑制了栅藻PSⅡ反应中心结构蛋白的合成,使水的光解效率降低,电子和氢离子的释放减少。碳固定路径中pepc基因、ME基因显著上调,糖酵解中PFK基因显著上调,脂肪酸合成中的FASN基因、ACCase基因显著上调表达,说明在生物膜培养时,可能是由于藻细胞与大量水体分离从而导致藻细胞光合作用受到一定抑制,同时藻细胞增强CO2的同化效率,并且促进脂肪酸的合成。4.在烟草异源表达栅藻两个碳固定关键酶PFK和ME基因实验显示这两个藻源碳固定酶活性高。为进一步探究上述鉴定获得的栅藻碳固定关键酶基因PFK和ME的功能,本研究构建两个基因植物表达载体pCAMBIA1303-PFK和pCAMBIA1303-ME,并采用农杆菌介导使这两个基因分别在烟草叶片中瞬时表达。转基因烟草酶活测定分析显示,转基因烟草叶片的磷酸果糖激酶和苹果酸酶活性比野生型以及转空载有显著提高。综上所述,本研究从碳代谢角度,通过生理指标的测定和碳代谢关键酶活及转录组分析从生理特性和分子机制上进一步探究不同培养模式下栅藻碳代谢调控机制,并将与碳代谢相关的关键基因进行功能验证及应用潜力评估,研究结果将有助于深入了解微藻应对水环境改变的生理机制,为微藻生物膜规模培养和微藻产物代谢调控策略的建立和应用提供理论基础和技术支撑,同时也为藻类功能基因在作物育种和功能农业中的应用提供重要参考。