Chlorella protothecoides是兼性营养的微藻,在异养条件下细胞生长迅速并可以积累大量油脂,可用于规模化培养并作为生物柴油生产原料。目前关于C.protothecoides的基础研究相对滞后,尚不清楚其在不同营养条件下表型差异化的原因以及油脂积累规律。本文将重构C.protothecoides的初级代谢网络,并结合代谢组学和代谢流分析方法,从代谢的角度展开应用基础研究。首先,建立了针对C.protothecoides的代谢物提取和基于LC-MS的测定方法,比较了其在自养和异养条件下的代谢组,发现大部分代谢物发生了显著变化,尤其是糖分解代谢的中间产物在异养时显著上升,同时ATP和还原力等辅因子以及乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A明显增加,表明了异养C.protothecoides旺盛的葡萄糖代谢以及脂肪酸合成活动。自养转异养的代谢轮廓分析显示,游离氨基酸含量逐渐降低,而糖酵解、磷酸戊糖途径和三羧酸循环代谢物含量增加,表明细胞回收自养时积累的蛋白质,将碳骨架用于油脂合成。根据新获得的基因组的注释,重构了C.protothecoides的初级代谢网络,并模拟了不同条件下的生长情况,预测值和实验值吻合良好说明了模型和数据的可靠性。理论最优生长的预测表明当前自养和异养生长速率仍可以分别提高20%和10%。表型相面分析给出了不同条件下C.protothecoides出现最佳生长和相应脂肪酸合成的培养条件,即:自养时光吸收通量与CO2消耗速率之比为8.4左右,异养时葡萄糖利用与O2吸收速率之比为2.7左右。运用同位体非稳态标记方法获得了C.protothecoides自养和异养时代谢物动态标记过程,并以此为额外约束解析了胞内代谢流分布。结果表明自养细胞光呼吸作用可以被其他途径替代,可以完全抑制以减少碳损失,三羧酸循环的作用主要是提供生物质合成前体而非产生能量;异养细胞磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和苹果酸酶代谢活跃,形成C4样通路并可能提供还原力,柠檬酸合成酶与脂肪酸合成竞争碳骨架因此可以被抑制,但同时需要考虑产生能量与还原力的替代途径。利用动态流分析方法解析了C.protothecoides氮代谢特征,发现自养条件下对氨氮的吸收主要通过谷氨酸脱氢酶途径,而异养条件下氮同化几乎完全依赖于谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶催化的偶联反应。C.protothecoides对氮同化途径的选择表现了其应对不同环境压力的自我调节能力。以上结果对C.protothecoides油脂积累机制的研究具有重要的意义,同时为产量优化等应用研究提供了定量化的理论指导。