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花生四烯酸对三角褐指藻生长、脂质含量及相关基因表达的影响

更新时间:2009-03-28

随着化石燃料的资源枯竭和其带来的气候变化问题日益严重,开发可再生能源取代化石燃料迫在眉睫[1]。微藻是生产天然油脂、蛋白质、类胡萝卜素、色素等物质的原料之一[2]。研究发现微藻还可用于生产生物柴油[3-4],但相关技术还有待突破。前人研究表明,在有利条件下,三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)、小球藻、杜氏藻等微藻会积累大量脂质[5-6]。其中,三角褐指藻是生产生物燃料的有效原料[7]。与常规油料作物相比,三角褐指藻具有需要水资源少、生长快、易培养、无污染等特点[8-9]。前人针对如何提高三角褐指藻中脂质的含量进行了大量的研究,如叶丽等[10]与Chen等[11]研究发现,外界环境因素,如温度、光照,限制营养元素氮、磷等胁迫条件对三角褐指藻脂质含量的积累有促进作用;Tang等[12]与Yeesang等[13]研究表明,光照、氮磷限制等因素会影响藻类生物量的积累,从而影响微藻的生物燃料生产;Chen等[14]研究也表明,微藻的生物燃料生产与微藻的生长速率及其脂质含量相关。

花生四烯酸(arachidonic acid, AA)是一种可促进植物细胞中代谢产物合成的非生物诱导子[15]。Wang等[16]关于雨生红球藻的研究表明,AA可通过增强dxs基因的表达促进虾青素的积累。马颖瑞等[17]和周静等[18]研究发现,AA可促进绿色杜氏藻合成类胡萝卜素。此外,马云青等[19]研究表明AA处理小鼠腹腔巨噬细胞后,细胞脂质积累量增加。

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目前关于微藻脂肪酸合成和代谢调控的研究报道并不常见。在脂肪酸合成途径中,乙酰辅酶A羧化酶 (acetyl-COA carboxylase, ACCase) 被认为是第一个关键限速酶[20]。Roessler[21]发现硅藻(Cyclotella cryptica)缺硅4 h和15 h后,体内ACCase的活性分别提高了2倍和4倍,促进了脂肪的积累。Iskandarov等[22]研究发现,缺氮条件下,甘油-3-磷酸乙酰转移酶 (glycerol-3-phosphateacyltransferase, GPAT) 的表达水平与绿藻的脂肪酸含量的积累呈正相关。王静[23]研究表明,在三角褐指藻中,过表达溶血磷脂酸酰基转移酶 (lysophosphatidic acid acyltransferase,LPAAT) 基因会极大提高过表达藻株积累脂肪酸的能力。冯佳[24]研究发现,硅藻油脂的积累量随着accase、β-酮脂酰-ACP合酶II(acyl carrier protein synthase II, KAS II)和二酰甘油酰基转移酶 (diacylglycerol acyltransferase, DGAT) 等关键基因表达量的上调而增加。刘美兰等[25]研究发现丙二酸单酰辅酶A酰基载体蛋白转酰基酶(malonyl-CoA:ACP transacylase, MCAT) 在叶绿体中参与油桐脂肪酸的合成代谢。 综上所述,基因ACCaseGPATLPAATKAS IIDGATMCAT在植物油脂合成通路中起一定作用。

目前关于提高三角褐指藻中脂质积累的研究主要是通过限制营养元素来实现的,关于利用AA提高三角褐指藻中脂质研究还尚未见报道。因此,本研究首次研究了AA对三角褐指藻的总脂与脂肪酸含量的影响,并对代谢产物合成通路中相关基因的表达差异进行了研究,以期为三角褐指藻提高脂质含量,实现微藻油脂的能源化提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 藻种的获得与处理

用不同浓度的诱导子AA处理处于对数期的三角褐指藻 24 h,取 80 mL藻液,在 4℃, 5 000 r·min-1离心10 min后收集对数生长期的三角褐指藻。冲洗2~3次后按照 plant RNA kit试剂盒(OMEGA, 美国)说明书进行三角褐指藻总 RNA 提取。提取物-20℃保存备用。

1.2 三角褐指藻生长曲线测定

AA处理三角褐指藻后,藻体总脂相对含量大致呈先上升后下降的趋势,在浓度为62.5 mg·L-1时总脂相对含量最高(图3-A);单位藻细胞总脂相对含量则呈先下降后上升的趋势,且在浓度为312.5 mg·L-1时达到最大值(图3-C),推测该浓度的AA使三角褐指藻的生长受到胁迫,藻体积累总脂以增强抗逆性。游离脂肪酸含量(图3-B)与单位细胞中游离脂肪酸含量(图3-D)总体均呈先上升后下降的趋势,且浓度为12.5 mg·L-1时达到最大值,较CK极显著上升。

1.3 三角褐指藻脂质含量测定

由图1可知,随着AA处理时间的增加,不同浓度AA处理下的三角褐指藻细胞密度均呈先升高后降低的趋势,在第6天时其生物量达到最大值,第8天则处于衰亡期。

1.4 藻体总RNA的提取

三角褐指藻藻种来源于宁波大学海洋学院微藻室。将三角褐指藻细胞以1×105cells· mL-1接种到MVA培养基(pH值7.5)中,培养基配方参照蒋霞敏等[26]的方法。培养条件:温度15±0.5℃,光照强度62.5 μmol photons·m-2.·s-1,光暗周期比12 h∶12 h,每天摇瓶3次。培养2 d后,用不同浓度的AA处理藻体,AA浓度分别为0(CK)、0.5、2.5、12.5、62.5和312.5 mg·L-1,每个浓度设3次重复,诱导子处理6 d后的三角褐指藻用于脂质含量的测定。

1.5 三角褐指藻代谢通路基因表达分析

使用 PrimeScript RT Reagent Kit (TaKaRa,日本) 对诱导子处理下三角褐指藻RNA进行 cDNA 的合成。代谢通路基因引物详见表1。反应体系为 SYBR® Premix Ex TaqTM(2×)10 μL,F-primer (10 μmol·L-1)0.8 μL,R- primer(10 μmol·L-1)0.8 μL,模板2 μL,ddH2O 补足至20 μL。每组样品重复3次。反应程序:94℃ 预变性3 min,40轮扩增循环(94℃变性 30 s,53℃ 退火30 s,72℃ 延伸20 s),72℃ 延伸10 min,16℃保存。运用2-ΔΔCt[28]对荧光定量PCR结果进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 AA对三角褐指藻细胞生长的影响

总脂含量根据尼罗红染色法测定[27];游离脂肪酸 (free fatty acid) 则采用游离脂肪酸试剂盒 (COMIN, 苏州) 进行测定。

随着动力系统和非线性科学的迅猛发展,对数学人才在微分方程知识方面的要求逐步提高,教师应该与时俱进,针对常微分方程课程的特点,用科学发展的眼光不断革新教学内容与方法。只有这样,才能提高学生学习常微分方程的积极性和主动性,培养学生的创新意识,提高学生应用知识解决实际问题能力,最终实现“学数学”、“用数学”的教育目标。

对不同浓度AA处理下的三角褐指藻在其生物量最大时(6 d)的细胞密度进行比较。结果表明,随着AA浓度的增加,三角褐指藻细胞密度呈先上升后降低的趋势。当AA浓度为0.5 mg·L-1 时,三角褐指藻细胞密度达到最大值;但在高浓度AA处理下(312.5 mg·L-1),三角褐指藻细胞密度较CK减少了44%(图2)。表明高浓度的AA对三角褐指藻的生长有抑制作用,低浓度则促进其生长。

2.2 AA对三角褐指藻总脂与游离脂肪酸含量的影响

AA处理三角褐指藻后,每隔24 h分别取1 mL藻液用722型紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司)测其在680 nm处的吸光值(A680),并用血球计数法对各组样品计数,每组均设3次重复,建立经不同浓度AA处理三角褐指藻后的生长曲线。

定量PCR研究不同浓度的AA对三角褐指藻脂类生物合成途径相关基因ACCase, KAS II, MCAT, DGAT, GPATLPAAT 的相对表达量差异。结果表明,LPAATGPATKASIIACCase 4个基因均在AA浓度为312.5 mg·L-1时达到最大值,且该浓度下均极显著高于CK(图4-A、B、E、F);基因DGATMCAT均在AA浓度为0.1 mg·L-1时达到最高值,分别为CK的4倍与2.5倍,且均极显著高于CK(图4-C、D)。

 

表1 三角褐指藻代谢通路基因引物设计Table 1 Gene primers used in metabolism pathway of Phaeodactylum tricornutum

  

Pathway通路基因名称Genename基因Gene引物序列Primesequence退火温度Meltingtemperature/℃内参基因Housekeepinggene看家基因Housekeepinggeneβ⁃actinF:AGACCATTATGAAGTGCGAT55 0R:ACCCTCCAATCCAAACAG54 0游离脂肪酸Freefattyacids二酰甘油酰基转移酶Diacylglycerolacyltransferasedgat甘油-3-磷酸乙酰转移酶Glycerol⁃3⁃phosphateacyltransferasegpat溶血磷脂酸酰基转移酶LysophosphatidicacidacyltransferaselpaatF:GGTATGTTTGCGTAGACTTGT52 3R:TCGTTATTTACTTCGGAGATT51 8F:ACAAGTTCAAAGAAGGTGGTG54 3R:GGTTTTAGAGTCAAAGGGTG51 5F:ATCAAAAGTGGGCAGAAAA53 0R:GATACCAAAACGAACAACG51 2脂质Lipid乙酰辅酶A羧化酶Acetyl⁃COAcarboxylaseAccaseβ-酮脂酰⁃ACP合酶IIAcylcarrierproteinsynthaseIIKasII丙二酸单酰辅酶A酰基载体蛋白转酰基酶Malonyl⁃CoA:ACPtransacylasemcatF:ATCTTGGGGACTTTAGCC51 2R:AGTGCCGTTATTGGATGT50 3F:GGTTTGGAAGCGGTTGT53 2R:TCCGAGGTTGGTACTCATG53 4F:TCGTCGTCTCGGATGG52 1R:GCTTGGGCTTTGGGTA51 5

  

注:*表示差异显著(P<0.05);** 表示差异极显著(P<0.01)。下同。Note: * indicates significant difference at 0.05 level, ** indicates significant differences at 0.01 level. The same as following.图1 AA对三角褐指藻细胞生长的影响Fig.1 Effect of AA on the cell growth of Phaeodactylum tricornutum

  

图2 不同AA浓度对三角褐指藻细胞生长的影响(6 d)Fig.2 Effect of different concentration of AA on the cell growth of Phaeodactylum tricornutum (6 days)

  

图3 不同AA浓度对三角褐指藻脂质与游离脂肪酸含量的影响Fig.3 Effect of different concentration of AA on the lipid and fatty acid content in Phaeodactylum tricornutum

2.3 AA对三角褐指藻脂类相关基因表达的影响

58 分段空场嗣后充填采矿方法在谦比希铜矿中的应用 ………………………………………………………李 辉,马浩吉,张晋军,张东红,李占炎,杨清平

  

图4 不同AA浓度对三角褐指藻脂类合成关键基因酶的相对表达量的影响Fig.4 Effect of different concentration of AA on relative expression of lipid recated genes in Phaeodactylum tricornutum

3 讨论

王海堂等[29]认为AA是一种诱导植物代谢产物积累的重要因子,其可以直接参与细胞内信号转导或者影响其他信号转导通路以调控细胞的生命活动。Gong等[30]在银杏的研究中发现,AA可调控DXS基因的表达,促进银杏内脂的积累。苗志奇等[31]在培养红豆杉细胞时添加AA,发现在适宜浓度的AA诱导下,紫杉醇的产量提高近3倍。本研究结果表明,较低浓度AA作用下,三角褐指藻的生长活动强,其总脂与脂肪酸含量也增加,即适宜浓度的AA对三角褐指藻的脂肪酸(12.5 mg·L-1)与总脂(62.5 mg·L-1)积累有促进作用。但随着AA浓度的增加(312.5 mg·L-1),藻细胞生长受到胁迫,代谢产物含量降低。推测可能存在两方面原因:一是合成的大量代谢物反馈抑制了该合成途径的酶,使合成受阻;二是AA与次生代谢物竞争结合三角褐指藻细胞的位点,使其无法识别诱导信号,诱导物的作用减弱[32]

德国现行的垃圾处理技术政策,已经从单一的无害化向“减量化、资源化、无害化”转变:①进一步完善分类收集系统,确保将生活垃圾在源头有效分类,从而保证垃圾回收利用的效果;②开发先进的机械生物处理技术,对混合生活垃圾进行合理分选,以提高垃圾资源利用的效果;③对焚烧技术进一步优化,以适应各种垃圾的性质、降低污染物排放、提高能源利用效率的目标;④充分发挥创新精神,将科技运用到各种细节中,如垃圾收运车采用混合动力或绿色动力等。同时,德国部分垃圾处理设施是以园区的形式建设的,集垃圾处理、环保公园、动物饲养、休闲娱乐等设施于一体,园区边界与居民区之间没有防护距离,取得公众的高度信任。

(1)抓基础,强化水运提档升级。坚持将加快发展作为四川水运的第一要务。加快实施长江、岷江、嘉陵江、金沙江、渠江等5条国家高等级航道达标升级工程,沱江、涪江等2条省内高等级航道升级改造工程,全省高等级航道全线达标,干支航道全面提档升级,构建起干支衔接、通达通畅的航道体系,实现通江达海。实施全省重点港口集疏运通道完善工程完善港口功能,优化港口集疏运体系,拓展发展新空间。

前人研究发现,环境胁迫下,微藻细胞能进行储能,促进脂质的积累[33]。Fan 等[34]研究营养缺乏对小球藻脂质积累的影响时发现,ACCaseDGAT 2个基因的表达与小球藻脂质的积累高度相关。本研究中,ACCaseDGAT 基因在AA作用下,其表达量均有所增加,进一步证实了ACCaseDGAT基因在脂质合成过程中起关键作用。Miersch 等[35]研究表明,在逆境胁迫下,番茄过氧化物酶体β-氧化途径中的多功能蛋白基因MFP过量表达,游离脂肪酸被氧化,同时产生AA等信号分子。本研究发现,不同浓度AA处理下,基因表达水平与游离脂肪酸含量无直接关系,这可能是由于游离脂肪酸合成通路的关键基因DGATGPATLPAAT在AA作用下表达量极显著上升,游离脂肪酸转化成油脂。Khozin等[36]、唐建新等[37]研究表明,贮存脂的主要成分三酰甘油,由于受到分子信号转导的影响被转化成甘油二脂和其他极性脂类,甚至可以再转化为乙酰CoA被用于合成膜脂和萜类物质。本研究中,在不同浓度AA处理下,脂质合成相关基因LPAATKAS IIACCaseGPAT等基因表达大部分显著上升,在AA浓度为312.5 mg·L-1时达到最大值,且该浓度下单位细胞中总脂相对含量也达到最大值,即这4个基因对脂质的积累均有促进作用,但总脂含量则在62.5 mg·L-1时达到最大值,表明在高浓度的AA(312.5 mg·L-1)作用下,由于AA参与藻细胞信号转导,导致三角褐指藻合成的三酰甘油转化成了其他次生代谢产物,如萜类物质等;此外,高浓度(312.5 mg·L-1)的AA抑制三角褐指藻的生长,生物量降低,导致总脂含量降低,即当AA浓度为62.5 mg·L-1时,单位细胞中脂质含量虽然不是最高,但该浓度生物量较大,使总脂含量达到最大值。

本试验通过研究不同浓度AA对三角褐指藻油脂与代谢通路相关基因表达变化情况,探讨了AA对三角褐指藻油脂代谢产物的调控。结果表明,适宜浓度的AA对总脂与脂肪酸产物合成具有促进作用,且代谢产物含量与其代谢通路中的部分关键基因呈现一定关系,即AA可通过调控代谢通路中关键基因的表达从而促进油脂的积累。本研究结果为今后利用藻类工程提高三角褐指藻油脂含量提供了新思路。

4 结论

本研究结果表明,低浓度的AA促进三角褐指藻的生长,高浓度则抑制其生长。在适宜浓度AA诱导下,三角褐指藻总脂与脂肪酸含量均显著升高,且脂质合成相关基因也与其呈现一定关系。因此,一定浓度的AA可通过调控代谢通路中关键基因的表达从而促进油脂的积累,本试验结果为今后生物柴油的发展提供了新思路。

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《核农学报》 2018年第07期
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