水生所在微藻功能化合物合成調(diào)控機制解析方面取得系列進展
大多數(shù)微藻能夠合成特有的生物活性物質(zhì)，如類胡蘿卜素、脂肪酸、酚類化合物和甾醇等，這些成分具有抗氧化、抗菌、抗炎及抗癌等多種生理活性，在保健品、食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域應用廣泛。如何提升這些高值產(chǎn)物的產(chǎn)量與品質(zhì)，是藻類生物技術(shù)與應用領(lǐng)域內(nèi)的核心挑戰(zhàn)。近期，中國科學院水生生物研究所張承才研究員團隊的馬海燕項目副研究員等在該領(lǐng)域取得系列進展，連續(xù)在《Plant Physiology》（Chen et al.,2025;Ma et al.,2025）和《Algal Research》（Zheng et al.,2025）發(fā)表3篇文章，為微藻功能脂質(zhì)與蝦青素的合成調(diào)控機制提供了新思路。
進展一：萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）是一種單細胞綠藻，是研究光合生物脂質(zhì)代謝的模式生物之一。前期研究表明，萊茵衣藻具有作為細胞工廠生產(chǎn)功能脂質(zhì)1,3-二油酸-2-棕櫚酸甘油三酯（OPO）的潛力。OPO是嬰幼兒配方奶粉中的重要脂質(zhì)成分。通過過表達真核肯尼迪途徑中的甘油-3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶（GPAT2），可顯著提高萊茵衣藻底盤細胞中OPO的含量和產(chǎn)量（Zou et al.,2023）。光合真核生物擁有兩條肯尼迪途徑，分別位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和葉綠體中。GPAT作為該途徑的第一個?；D(zhuǎn)移酶，在調(diào)控碳流向真核與原核途徑的分配中起關(guān)鍵作用。
研究團隊對原核途徑中的GPAT1進行了功能表征，發(fā)現(xiàn)其同時具備GPAT及其下游酰基轉(zhuǎn)移酶——溶血磷脂酸?；D(zhuǎn)移酶（LPAAT）的活性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，GPAT1的LPAAT活性存在于可溶聚合物態(tài)和膜結(jié)合態(tài)兩種形式，且二者具有不同的底物選擇性：可溶聚合物態(tài)更傾向于C18:1酰基供體，而膜結(jié)合態(tài)則同時對C18:1和C16:0酰基供體具有偏好性。
?；D(zhuǎn)移酶的多功能性通常源于一個蛋白融合了兩個功能域，或不同功能共享關(guān)鍵催化基序。然而，GPAT1的雙功能卻是通過其四級結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)象實現(xiàn)的，這可能與其作為別構(gòu)酶的特性有關(guān)。通過RNAi技術(shù)敲降GPAT1，在混合營養(yǎng)培養(yǎng)和缺氮條件下均顯著降低了甘油三酯（TAG）的含量，且其中C16脂肪酸的比例也明顯減少，這與膜結(jié)合態(tài)GPAT1的LPAAT活性對C16:0的底物偏好相一致。有趣的是，敲降GPAT1會引發(fā)真核肯尼迪途徑中其他?；D(zhuǎn)移酶（如GPAT2）的補償性上調(diào)，從而顯著增加OPO的含量和產(chǎn)量。通過協(xié)同敲降GPAT1與過表達GPAT2，OPO的含量和產(chǎn)量相較于單一操作的底盤細胞均有顯著提升。
本研究為理解微藻質(zhì)體GPAT1的功能及其在脂質(zhì)代謝中的生理作用提供了新見解（圖1），并為高效生產(chǎn)高附加值功能性脂質(zhì)OPO提供了新的功能元件。相關(guān)研究成果以“Functional characterization of the plastidial enzyme GPAT in microalgae and its potential role in lipid biosynthesis”為題，發(fā)表于《Plant Physiology》（https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf395）。水生所馬海燕項目副研究員為共同第一作者和通訊作者，深圳先進技術(shù)研究院陳紅助理研究員與北京大學博士研究生余麗華為共同第一作者。
圖1?缺氮條件下萊茵衣藻GPAT1貢獻甘油三酯（TAG）積累的機制模型
進展二：單細胞綠藻雨生紅球藻因能大量積累具有強抗氧化活性的類胡蘿卜素——蝦青素，而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。該藻的蝦青素合成途徑存在細胞器分區(qū)現(xiàn)象：前體β-胡蘿卜素在葉綠體中合成，被運輸至胞質(zhì)后進一步催化生成蝦青素，并儲存在胞質(zhì)脂滴中。這一代謝分區(qū)特性是雨生紅球藻能夠積累遠高于其他物種蝦青素水平的重要原因之一。然而，β-胡蘿卜素如何被轉(zhuǎn)運至胞質(zhì)仍屬未知，該過程是調(diào)控蝦青素合成的關(guān)鍵與限速步驟，闡明其機制對于提升該藻蝦青素合成能力具有重要意義。
區(qū)別于文獻報道及工業(yè)生產(chǎn)中常見的高光脅迫誘導方式，研究團隊采用低光誘導策略，使雨生紅球藻在維持游動細胞狀態(tài)的同時緩慢積累蝦青素。通過對該實驗材料進行共聚焦觀察、葉綠體分離鏡檢及亞細胞結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素在葉綠體內(nèi)聚集于嗜鋨質(zhì)體脂滴中，并通過出芽方式被轉(zhuǎn)運至胞質(zhì)（圖2）。同時，也觀察到液泡介導的轉(zhuǎn)運途徑，以及胞質(zhì)脂滴與葉綠體直接接觸的可能運輸方式。進一步通過轉(zhuǎn)錄組學與生物信息學分析，篩選出7個可能參與該囊泡運輸過程的候選基因。
雨生紅球藻在胞質(zhì)脂滴中積累蝦青素的方式，在進化上可能代表一種古老的色素體祖先特征。該藻棲息于淺水洼等小型水體，常面臨強光、高鹽和干燥等脅迫環(huán)境，從某種角度而言，其生活史可能不斷重復著植物祖先登陸的過程。因此，雨生紅球藻這一分支可能演化出特殊的色素體結(jié)構(gòu)以應對極端生境變化，屬于一類古老的色素體類型。相比之下，陸地植物的色素體多由葉綠體轉(zhuǎn)化而來，富含類胡蘿卜素和中性脂，但像雨生紅球藻這樣通過葉綠體出芽方式運出類胡蘿卜素的現(xiàn)象極為罕見，僅在番茄suffulta 突變體中有類似報道，提示部分陸地植物可能通過進化出新基因（如suffulta 等）改變了色素體的形成模式。
圖2?通過顯微和超微觀察總結(jié)的雨生紅球藻β-胡蘿卜素運出葉綠體的方式
該研究對雨生紅球藻的種質(zhì)改良具有重要參考價值，也為理解陸地植物色素體的起源提供了新線索。相關(guān)研究成果以“Chloroplast budding mediates β-carotene transport for early stage astaxanthin hyperaccumulation in microalgae”為題，發(fā)表于《Plant Physiology》（https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf423）。水生所馬海燕項目副研究員為共同第一作者和通訊作者，已畢業(yè)的碩士研究生汪照坤為共同第一作者。
進展三：微擬球藻是二十碳五烯酸（EPA）的重要天然來源之一。EPA是一種具有多種保健功能的高附加值ω-3多不飽和脂肪酸，對人體健康具有重要意義。不同類型的EPA在功能上存在差異：甘油三酯型EPA可調(diào)節(jié)血脂、改善代謝、抗炎及抗腫瘤；磷脂型EPA有助于改善代謝、提升認知能力與神經(jīng)修復；糖脂型EPA則具有抗炎和調(diào)節(jié)血脂的作用。目前，微擬球藻中EPA的合成途徑已基本明確，從C18:1到C20:5需經(jīng)過4種去飽和酶（Δ12D、Δ6D、Δ5D、ω3D）和1種延長酶（Δ6E）的交替催化。
研究團隊以海洋微擬球藻（Nannochloropsis oceanica）為對象，首先在釀酒酵母中驗證了其EPA合成途徑中各酶元件的功能，并構(gòu)建了不同組合模塊，初步明確了各元件間的有效空間組合關(guān)系?；诖耍秒p向啟動子Ribi和2A肽構(gòu)建了兩個可能增強EPA合成的模塊：(Δ12D-Δ6D)+Δ6E 和 (Δ5D-ω3D)+Δ6E（圖3）。將這兩個模塊分別在微擬球藻底盤藻株IMET1中分別進行過表達。結(jié)果顯示，在氮充足與氮缺乏條件下，(Δ12D-Δ6D)+Δ6E模塊均能促進EPA前體C18:3和C20:4的積累，但終產(chǎn)物EPA的含量與產(chǎn)量并未發(fā)生顯著改變。這一現(xiàn)象可能與模塊下游內(nèi)源性去飽和酶（Δ5D和ω3D）的空間分離有關(guān)。這些下游酶主要定位于磷脂酰乙醇胺（PE）脂質(zhì)池中發(fā)揮作用，而該模塊上游酶（如Δ12D和Δ6D）則主要作用于磷脂酰膽堿（PC）脂質(zhì)池，導致PC池中的代謝物難以有效向EPA合成途徑轉(zhuǎn)運。因此，Δ5D與ω3D的功能局限或空間隔離，可能限制了前體向EPA的高效轉(zhuǎn)化。而過表達(Δ5D-ω3D)+Δ6E模塊，在氮充足條件下使EPA占干重含量顯著提高35%，在缺氮條件下可使甘油三酯（TAG）總量及甘油三酯型EPA含量分別顯著增加97.4%和40.5%。
圖3 通過雙向啟動子Ribi和2A肽構(gòu)建的潛在可促進微擬球藻EPA合成的表達模塊
該項研究表明，Δ5D與ω3D基因的串聯(lián)表達可有效增強代謝流向EPA合成的通量，為微藻EPA的高效生產(chǎn)提供了可行的合成生物學策略。相關(guān)成果以“Synergistic genetic module engineering for optimized eicosapentaenoic acid production in Nannochloropsis oceanica”為題發(fā)表于《Algal Research》（https://doi.org/10.1016/j.algal.2025.104261）。南昌大學鄭潔博士為第一作者，水生所馬海燕項目副研究員為通訊作者。
以上3項研究均獲科技部重點研發(fā)計劃項目及中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）資助。
參考文獻：
[1] Zou S,Lu Y,Ma H,Li Y,Chen G,Han D,Hu Q. Microalgal glycerol-3-phosphate acyltransferase role in galactolipids and high-value storage lipid biosynthesis. Plant Physiol. 2023 May 2;192(1):426-441.
