发现海洋绿藻生物量和直链淀粉超量积累的调控新方法

微藻淀粉可开发为生物能源、食品和生物塑料。缺氮/限氮可使淀粉积累达到干重的50%以上，是绿藻淀粉累积最常用的方法。然而，营养胁迫会抑制藻类细胞的生长，限制淀粉的生产速度。为此，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室的研究人员提出了一种新的调控方法，促进了新分离的绿藻Platymonas helgolandica的生长和高直链淀粉积累——即通过添加外源性葡萄糖和控制适当的昼夜节律时间，可获得最大的干重积累(Light:Dark = 12:12)和最大的淀粉浓度(Light:Dark = 6:18)。研究成果刊登在2022年《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》杂志。

为进一步揭示不同培养模式下绿藻生理状态的差异，研究人员使用了藻类光合检测套件测定了自养组(24:0，−Glc)、混合营养组(24:0，+Glc)、昼夜节律组(6:18，−Glc) 和异养组(0:24，+Glc)的叶绿素荧光参数和呼吸速率，上述培养模式以（光照小时数：暗黑小时数，有无添加外源葡萄糖Glc）进行表示。

A图中，Fv/Fm反映了光系统II (PSII)的效率。混合营养组的总体变化趋势与自养营养组相同。昼夜节律组的Fv/Fm在培养早期相对稳定，在后期迅速下降——可能由于细胞数量的迅速增加，单个细胞接收到的光更加有限。异养组持续保持极低的PSII效率。

B图展示了借助OJIP程序在第6天测定的多个参数。发现相比于混合营养组，昼夜节律组的单位反应中心(RC)吸收能量(ABS/RC)和电子传递能量(ETo/RC)的变化不明显，而每个活跃反应中心的捕获能量(TRo/RC)下降7.10% (p <0.05)。这可能是由于长期光照导致混合营养组反应中心关闭所致。

与自养组相比，添加葡萄糖的三组的TRo/ABS和ETo/ABS值均有所下降，说明葡萄糖的存在降低了吸收能量的捕获和传递。此外，异养组与混合营养组比较，TRo/ABS下降15.98%(p <0.05)，DIo/RC提高76.52% (p <0.05)，表明连续黑暗培养导致了能量捕获的显著减少和能量消耗效率的显著增加；ABS/RC增加18.03% (p <0.05)，这可能反映了异养组细胞中的反应中心大量关闭。

从C图中的OJIP快速叶绿素荧光动力学曲线，可发现自养组和混合营养组的曲线形状特征相似。而昼夜节律组和异养组的曲线形状发生了变化——与自养组相比，两组J点的荧光强度Vj分别变化了−10.05%和33.17%，I点的荧光强度Vi分别变化了−25.17%和−3.40%。最终，两组的Fv/Fm分别降低了9.71%和20.67%，反映出PSII效率随着光照时间的减少而降低。

D图展示了呼吸速率随时间的变化曲线。与自养组相比，添加葡萄糖的三组的呼吸速率均有所提高。这是因为葡萄糖的存在能够有效促进有氧呼吸，释放能量，并产生丙酮酸合成代谢物。在第3天，异养组和昼夜节律组的呼吸作用明显增强，较自养组分别提高了145.12%和63.67%。这一现象表明，在没有光的情况下，异养组通过上调呼吸来维持生长。在昼夜节律组中，呼吸速率的增加可能意味着更多能量产生和更快的生长。

通过以上细致详尽的分析，揭示了不同培养模式下海洋绿藻生长状态不同的生理基础。

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检测套件既能测定藻类的气体交换参数，如光合放氧速率、暗呼吸速率、净光合速率，也能够测定叶绿素荧光参数，包括F0、Ft、Fm、Fm’、QY、QY_Ln、QY_Dn、NPQ、Qp、Rfd、Area、Mo、Sm、PI、ABS/RC等50多个参数，从而全面检测、评估藻类的光合-呼吸作用中物质和能量转化。

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1. 颗石藻是海洋中最重要的钙化生物类群之一，也是主要的初级生产者，同时进行光合与钙化两种固碳作用（两者分别是碳汇和碳源过程），因此在海洋碳循环中起到重要作用。颗石藻表面往往覆盖一层又一层的颗石粒（Coccolith），形成壳状结构的颗石球(Coccosphere)。英国海洋生物协会和美国北卡莱罗纳大学威明顿分校联合研究发现：不同种的颗石藻对钙化作用的需求不同，破坏钙化作用会导致某些种的颗石藻无法维持完整的颗石球，产生细胞周期阻滞现象和重大的生长缺陷。但没有证据证明钙化作用会影响光合作用。论文发表于2018年《New Phytologist》杂志。

2. Ben等人调查研究了有机污染物双酚A（BPA）对嗜碱性绿藻Picocystis 的影响及后者对前者的去除能力，发现暴露于低浓度（＜25mg/L）BPA 5天不会抑制Picocystis的生长和光合作用；而高浓度（50-75mg/L）BPA暴露尽管使Picocystis的净光合速率急剧下降，但PSII活性受到的影响较小（净光合速率接近零时，Fv/Fm仍至少为0.2），最终对其生长的抑制也不超过43%。高浓度BPA暴露下的Picocystis能够同时促进多种抗氧化酶的活性，可视作避免PSII受到额外损伤的防御机制。并且Picocystis通过生物降解和转化，高效率地移除了BPA。因此，高耐受性和高移除率使Picocystis在双酚A的水质净化方面具有巨大的潜力。论文发表于2018年《Ecotoxicology and Environmental Safety》杂志。

参考文献：

1. Ben Ouada, S., Ben Ali, R., Leboulanger, C., Ben Ouada, H., & Sayadi, S. (2018). Effect of Bisphenol A on the extremophilic microalgal strain Picocystis sp. (Chlorophyta) and its high BPA removal ability. Ecotoxicology and Environmental Safety, 158, 1–8.

2. Shi, Q., Chen, C., He, T., & Fan, J. (2022). Circadian rhythm promotes the biomass and amylose hyperaccumulation by mixotrophic cultivation of marine microalga Platymonas helgolandica. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 15(1), 75.

3. Walker, C. E., Taylor, A. R., Langer, G., Durak, G. M., Heath, S., Probert, I., Tyrrell, T., Brownlee, C., & Wheeler, G. L. (2018). The requirement for calcification differs between ecologically important coccolithophore species. The New Phytologist, 220(1), 147–162.