從中國科學院水生生物研究所了解到，該所研究人員以海洋微擬球藻為對象，發現了一種用于替代TAG（三酰甘油）的新碳儲存分子——低不飽和酰基磷脂酰乙醇胺。相關研究成果發表在Plant Physiology。

 

微擬球藻是一類屬于真眼點藻綱、球形或近似球形的單細胞真核生物。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 個已定種。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），是工業化生產EPA 的優質原料，也是魚類幼體和輪蟲的餌料，已被批準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化體系的建立，該屬的種類已成為最具潛力的工業產油模式研究藻種。

 

水生所研究員胡晗華團隊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象開展了系列基礎研究。他們首先在所有6個海洋種類中建立起了基于PCR產物的高效遺傳轉化系統及基于RNA干擾的基因敲降體系，并通過多年努力在該屬中唯一的一個淡水藻——湖泊微擬球藻中利用化學預處理的方式實現了基于電穿孔的高效遺傳轉化。

 

海洋微擬球藻是該屬中最為常用的一個模式產油藻種，它的高油含量與基因組中含有多達13個參與TAG合成的二酰甘油酰基轉移酶（DGAT）有關。此外，它的基因組還編碼一個磷脂：二酰甘油酰基轉移酶（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。

 

對酵母、萊茵衣藻和擬南芥等模式生物的研究表明，細胞內PDAT和DGAT的功能在進化上可能是保守的，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在脂質調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象，揭示了PDAT在調控脂質代謝、匯集細胞內碳流方面的重要作用，并發現在脅迫條件下細胞合成一種用于替代TAG的新的碳儲存分子——低不飽和酰基磷脂酰乙醇胺。

 

基于系統進化分析發現，微擬球藻PDAT（NoPDAT）與其他光合生物的PDAT存在較遠的親緣關系，精細定位發現該蛋白質定于葉綠體最外一層膜——葉綠體內質網膜，也暗示NoPDAT與其他光合生物可能在功能上存在差異。通過對NoPDAT過量表達、敲降藻株的表型分析發現，NoPDAT對細胞內TAG積累的貢獻至少占30%，并且其功能的缺失并沒有引發調控任一DGAT的補償機制。

 

研究人員還發現，NoPDAT的突變導致了細胞內一類新的磷脂酰乙醇胺（PE）的大量積累，這類特殊的PE與細胞內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”。

 

據了解，細胞內LU-PE的含量還與培養的CO2濃度顯著正相關。過量表達或/和敲降與PE合成和降解路徑所有相關基因均檢測不到LU-PE的積累，提示LU-PE的積累可能僅受NoPDAT調控。此外，NoPDAT突變還激活細胞合成縮醛磷脂（PME），其含量也與CO2濃度顯著正相關。

 

研究人員認為，這些結果表明，NoPDAT突變導致的TAG合成受阻，將使得細胞內的碳流向LU-PE及縮醛磷脂，尤其在高濃度CO2條件下LU-PE將替代TAG成為細胞內主要的碳匯。

 

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聯。以前的研究認為光合生物不能合成這種磷脂。該研究的新發現為實現使用微藻商業化生產縮醛磷脂提供一種可能途徑。目前已被授權了一項題為“一種可提高微藻縮醛磷脂含量的方法及RNA干擾片段”的發明專利。

 

本研究得到國家自然科學基金和重大研究計劃等項目的資助，主要由水生所的研究人員完成。北京大學、中國農科院油料作物研究所、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學和美國馬里蘭大學的研究人員參與了部分研究工作。