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微擬球藻（Nannochloropsis）是一類屬于真眼點(diǎn)藻綱（Eustigmatophyceae）、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(gè)已定種（N. gaditana、N. salina、N. oculata、N. oceanica、N. australis、N. granulata和N. limnetica，最新的分類系統(tǒng)已將前兩個(gè)種歸至Microchloropsis屬）。它們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。
中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所胡晗華研究員團(tuán)隊(duì)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(duì)象開展了系列基礎(chǔ)研究。他們首先在所有6個(gè)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)（Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2014）及基于RNA干擾的基因敲降體系（Plant Journal, 2017），并通過多年努力在該屬中唯一的一個(gè)淡水藻——湖泊微擬球藻（N. limnetica）中利用化學(xué)預(yù)處理的方式實(shí)現(xiàn)了基于電穿孔的高效遺傳轉(zhuǎn)化（World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2019）。
海洋微擬球藻（N. oceanica）是該屬中最為常用的一個(gè)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(gè)參與TAG合成的二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶（DGAT）有關(guān)；此外，它的基因組還編碼一個(gè)磷脂:二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶（PDAT），也能催化合成TAG。與DGAT以酰基輔酶A作為酰基供體不同，PDAT通常依賴極性脂作為酰基供體合成TAG。對(duì)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(duì)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(chǔ)存分子——低不飽和酰基磷脂酰乙醇胺。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（二次內(nèi)共生中來自于寄主內(nèi)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(duì)NoPDAT過量表達(dá)、敲降藻株的表型分析發(fā)現(xiàn)，NoPDAT對(duì)細(xì)胞內(nèi)TAG積累的貢獻(xiàn)至少占30%（圖1），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。
圖1：NoPDAT細(xì)胞定位（A，綠色和紅色熒光分別為NoPDAT-eGFP融合表達(dá)蛋白與葉綠體信號(hào)）、NoPDAT敲降導(dǎo)致的中性脂減少（B）及總脂肪酸（TFA）和TAG含量變化（C）
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，它們的脂酰基是C16:0、C16:1或C18:1等低不飽和脂肪酸，特稱為“LU-PE”。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(cè)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)。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（圖2）。
圖2：NoPDAT調(diào)控海洋微擬球藻細(xì)胞脂質(zhì)代謝的模式圖
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(shí)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(xiàng)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。
本研究是在胡晗華研究員主持的國(guó)家自然科學(xué)基金（41976119）和重大研究計(jì)劃（91751117）等項(xiàng)目的資助下，主要由水生所的研究人員完成。北京大學(xué)、中國(guó)農(nóng)科院油料作物研究所、法國(guó)格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)和美國(guó)馬里蘭大學(xué)的研究人員參與了部分研究工作。相關(guān)研究成果以“PDAT regulates PE as transient carbon sink alternative to triacylglycerol in Nannochloropsis”為題發(fā)表在Plant Physiology雜志上，文章鏈接為https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac160/6564233?login=true。