独脚金内酯调控单针藻Monoraphidium sp. QLY-1产油机制的研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:songpingqing
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由于化石能源的日渐消耗导致一系列环境和能源短缺问题的出现,使得开发生物能源成为近些年来国内外研究的热点。作为一种清洁环保型能源,生物柴油因其生物降解性好、含硫量低、燃烧充分等优点成为化石能源的理想替代品。微藻被认为是生产生物柴油的理想原料,由于生长速度快、生长周期短、油脂含量高、光合效率高、不与粮争地等优点被广泛研究。尽管微藻生产生物燃料具有许多优点,但利用其大规模生产生物柴油仍存在油脂产率低、生产成本高等诸多挑战。在微藻培养过程中,添加植物激素是一种有效地促进微藻生长、油脂积累、缩短培养周期的方法。独脚金内酯(Strigolactone,SL)是一类类胡萝卜素衍生物,它在调节植物生长发育、茎分支和气孔关闭等生理功能及非生物胁迫上发挥着重要作用,但其对微藻油脂合成的影响及其作用机制尚未明确。本研究以SL作为诱导子,单针藻Monoraphidium sp.QLY-1为研究对象,构建了微藻高效积累油脂的培养体系,探明了异养-光化学诱导两阶段培养下SL对微藻生长和油脂积累的影响。揭示了SL调控Ca2+和NO信号诱导微藻积累油脂的变化规律。并进一步探讨了缺氮胁迫下SL介导茉莉酸(Jasmonic acid,JA)调控油脂积累的作用机制。本文为开发SL或其他植物激素诱导微藻中油脂或其他高附加值代谢产物积累提供了一定的理论基础,也为利用基因工程改造微藻积累油脂提供了科学的依据和靶点,对研究微藻高效合成油脂具有一定的理论和实践意义。具体研究结果如下:(1)以BG-11培养基为基础培养基,异养-光化学诱导两阶段培养单针藻Monoraphidium sp.QLY-1。异养阶段提高藻细胞的生物量,自养阶段通过添加不同浓度的SL进行诱导。当培养基中SL浓度为1μM时,微藻油脂含量和油脂产率达到48.76%和63.65 mg L-1 d-1,分别是对照组(38.12%,48.61 mg L-1 d-1)的1.28倍和1.31倍。(2)SL诱导下,促进了藻细胞内油脂和蛋白质积累,而降低了碳水化合物含量,同时上调了油脂合成相关酶基因的表达水平。此外,SL提高了藻细胞内NO、Ca2+水平和Ca M基因转录水平。结果表明,外源SL可能参与调控碳代谢流和多种信号分子转导进而促进单针藻中油脂合成;进一步的实验揭示了Ca2+在SL诱导单针藻积累油脂过程中的作用;结果显示,当内源Ca2+水平增加时,藻细胞内油脂含量较单独SL诱导下显著性增加,同时上调了NO和油脂合成相关基因的表达水平,反之亦然。综上,SL通过调控Ca2+、NO信号和与油脂合成相关酶基因表达水平进而诱导单针藻大量合成油脂。(3)缺氮是一种有效地促进微藻中油脂积累的方法。本研究中,在缺氮条件下添加1μM SL,藻细胞油脂含量达到了53.71%,是单独缺氮条件下(46.18%)的1.16倍;同时JA含量从1217.26 pmol L-1提高至1943.50 pmol L-1,而内源γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)含量从13.18 mg g-1下降至8.97 mg g-1。(4)进一步研究发现,SL联合缺氮胁迫下,添加外源JA,可进一步促进藻细胞内油脂和GABA的积累;同时上调了油脂合成相关基因的表达和谷胱甘肽(Glutathione,GSH)的水平,缓解了由于缺氮引起的氧化损伤;此外,当JA合成被抑制时,藻细胞内油脂和GABA含量下降。结果表明,缺氮胁迫下,SL可能通过介导JA调控ROS和GABA信号,提高缺氮胁迫下微藻的抗性,从而诱导微藻合成油脂。综上所述,本章研究进一步阐明SL调控油脂合成相关的分子机制,为利用外源激素调控缺氮胁迫下微藻积累油脂提供了一定的理论基础。
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