14958.小球藻異養(yǎng)光誘導(dǎo)切換過程的分子響應(yīng)及其功能基因組學(xué)研究

1、分類號UDC：密級華東理工大學(xué)學(xué)位論文小球藻異養(yǎng)／光誘導(dǎo)切換過程的分子響應(yīng)及其功能基因組學(xué)研究范建華指導(dǎo)教師姓名：李元廣教授華東理工大學(xué)徐健研究員中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所申請學(xué)位級別：博士專業(yè)名稱：生物化工論文定稿日期：20120905學(xué)位授予單位學(xué)位授予日期論文答辯日期：魚!蘭：竺蘭l華東理工大學(xué)答辯委員會主席評閱人鼢酗鞭黼華東理工大學(xué)博士學(xué)位論文第1頁小球藻異養(yǎng)／光誘導(dǎo)切換過程的分子響應(yīng)及其功能基因組學(xué)研究摘要隨著化石燃料

2、的日益枯竭及實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的迫切需要，微藻能源已成為世界各國重點研究與發(fā)展的戰(zhàn)略方向，但是文獻(xiàn)中對微藻油脂合成和積累及環(huán)境互作機制這一關(guān)鍵問題的研究少有報道，限制了微藻能源的產(chǎn)業(yè)化?；谑讋?chuàng)的異養(yǎng)稀釋光誘導(dǎo)串聯(lián)技術(shù)和高產(chǎn)油蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)良種，可實現(xiàn)集“高附加值微藻產(chǎn)品、微藻能源與生物固碳“的一體化開發(fā)，有望加快微藻能源和微藻固碳的產(chǎn)業(yè)化進程，但目前對該技術(shù)缺乏機理方面的認(rèn)識，致使其工藝的優(yōu)化放大缺

3、乏理論指導(dǎo)。此外，目前國內(nèi)外均未見可戶外大規(guī)模培養(yǎng)的淡水能源微藻的基因組報道，嚴(yán)重制約了淡水能源微藻生理性狀的進一步挖掘和大規(guī)模應(yīng)用。Cpyrenoidosa不僅可生產(chǎn)高附加值小球藻粉，而且高產(chǎn)油脂，是一株具有廣闊應(yīng)用前景的淡水工業(yè)藻種，但迄今未見有關(guān)該藻遺傳背景研究方面的報道，因而亟待深入研究。本文針對微藻能源產(chǎn)業(yè)化開發(fā)中基礎(chǔ)科學(xué)問題一一能源微藻胞內(nèi)代謝及油脂合成與積累的系統(tǒng)生物學(xué)機制這一熱點方向開展研究。首先，圍繞異養(yǎng)稀釋一光誘導(dǎo)串

4、聯(lián)培養(yǎng)過程，首次發(fā)現(xiàn)小球藻異養(yǎng)細(xì)胞經(jīng)光誘導(dǎo)處理后可在短時間內(nèi)(12h)提高油脂含量近l倍；據(jù)此開展了Cpyrenoidosa的全基因組測序，揭示了首個淡水能源微藻的全基因組圖譜：然后，運用RNAseq，首次分析了小球藻在異養(yǎng)和光誘導(dǎo)下的基因轉(zhuǎn)錄圖譜，鑒定發(fā)現(xiàn)2800多個差異表達(dá)基因，并在全局轉(zhuǎn)錄水平闡述了小球藻胞內(nèi)碳流在油脂、蛋白、色素、淀粉之間的協(xié)調(diào)分配和調(diào)控規(guī)律；最后，基于基因組和轉(zhuǎn)錄組信息，首次重構(gòu)了Cpyrenoidosa的中心

5、碳代謝、油脂和淀粉代謝途徑。具體表述如下：(1)異養(yǎng)／光誘導(dǎo)切換過程的生化和細(xì)胞水平變化規(guī)律。首次發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)轉(zhuǎn)入光誘導(dǎo)后，小球藻油脂含量可在12h內(nèi)提高約1倍，預(yù)示著小球藻特殊的油脂代謝調(diào)控能力；此外，Cpyrenoidosa胞內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素和葉黃素等活性物質(zhì)含量均在短時間內(nèi)(812h)提高了1倍左右，同時碳水化合物的含量顯著下降；細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)轉(zhuǎn)入光誘導(dǎo)后，淀粉粒逐漸消失和蛋白核迅速形成，進一步表明蛋白、油脂和色素等組分快速

6、積累和碳水化合物的降解密切相關(guān)；上述變化特征在另外兩株小球藻Cvulgaris徊Cellipsoidea中，以及在實驗室內(nèi)和戶外小型光反應(yīng)器中的分析結(jié)果一致，表明異養(yǎng)稀釋光誘導(dǎo)串聯(lián)培養(yǎng)技術(shù)具有一定的普適性；異養(yǎng)稀釋光誘導(dǎo)技術(shù)培養(yǎng)Cpyrenoidosa的油脂產(chǎn)率最大可達(dá)8989mg／L／d，且脂肪酸碳鏈組成主要為C16C18，滿足制備生物柴油的要求。(2)全基因組圖譜繪制。首次對一株淡水高產(chǎn)油Cpyrenoidosa進行了全基因組測序，