揭秘重水胁迫下索氏小球藻代谢重编程：光合抑制与碳储备激增的关联奥秘

时间：2025年4月22日

来源：Bioresource Technology

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微藻在生产稳定同位素标记化合物方面潜力巨大，但氘对其生长代谢的影响机制不明。研究人员以索氏小球藻（C. sorokiniana）为对象，用不同浓度 D2O 培养。结果发现氘抑制生长和光合，却促进淀粉、脂质积累。该研究揭示其适应机制，助力氘代化合物生产。

在生命科学的微观世界里，微藻就像一个个神奇的 “小工厂”。作为光合自养生物，它们不仅生长迅速、适应力强，还能把简单的无机标记底物，比如¹³CO₂和 D₂O 等，转化成更有价值的有机标记化合物，这让它们在生产稳定同位素标记化合物领域潜力无限。过去已有研究尝试用微藻制备氘代化合物，可当用无机氘标记底物培养微藻时，问题出现了。单细胞微藻的每个细胞都能接触到氘底物，但细胞摄入氘的量存在差异，这在高氘浓度下尤为明显，而且目前人们对氘如何影响微藻生长和代谢的机制了解甚少。对于在制备氘代化合物过程中，氘对微藻生长代谢的具体影响，既关系到最终目标产物的产量，又决定了后续工业应用的可行性。同时，深入探究相关代谢细节，还能为通过基因编辑等技术增强微藻耐氘性、提高目标物质产量提供关键数据。可现状是，在氘胁迫下，微藻主要代谢途径（如光合作用、储能分子合成等）中关键基因和酶的动态变化，以及背后的相互作用机制都还未完全明晰。为了攻克这些难题，中国科学院南海海洋研究所的研究人员开展了一项针对索氏小球藻（C. sorokiniana）的研究。

研究人员以 D₂O 为唯一氘源，设置不同浓度 D₂O 培养索氏小球藻。他们监测了培养过程中藻细胞的生长参数变化，还对未氘化（0% D₂O）和完全氘化（100% D₂O）条件下培养 24 小时的索氏小球藻进行转录组和定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）分析。

研究结果如下：

生长参数评估（Evaluation of growth parameters of C. Sorokiniana in response to deuterium stress culture）：研究人员监测了培养过程中 OD₆₈₀、细胞数量、干重和生物质生产力的变化。对照组细胞 24 小时进入对数生长期，48 小时达到平台期；低氘培养组 24 小时后进入对数生长期，但生长速率较慢，约 60 小时达到平台期；80% D₂O 培养时，初始生长情况也受到影响。这表明不同氘浓度对索氏小球藻的生长有显著影响，高浓度氘会抑制其生长。
转录组学和 qRT-PCR 分析：转录组学研究发现，氘胁迫抑制了与光合作用相关的基因表达。同时，淀粉、脂肪酸和核酸合成途径相关基因上调。在 100% D₂O 条件下，淀粉和脂质的积累增强，淀粉含量最高可达细胞干重的 52%，脂质含量达到 22%。通过 qRT-PCR 分析进一步验证了这些基因表达的变化，确定了参与光合作用、淀粉和脂质生物合成以及核酸合成的关键差异表达基因（DEGs）。

研究结论表明，氘胁迫显著影响了索氏小球藻的生长动态和代谢调节。索氏小球藻在高氘条件下，通过改变能量分配（积累淀粉和脂质）来抵抗光合系统受到的抑制，成功适应了生长压力。低氘环境对微藻影响相对较小，可用于制备低氘化合物。这项研究揭示了索氏小球藻的耐氘机制，为理解微藻在高氘环境下的代谢和生物途径变化提供了新视角，也为通过修饰或调控关键代谢基因来高产氘代有机化合物提供了有价值的参考，在氘代化合物生产领域具有重要意义。

该研究用到的主要关键技术方法有：一是设置不同浓度 D₂O 培养索氏小球藻，监测生长参数变化；二是运用转录组学分析，研究不同氘处理下基因表达的变化；三是利用定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）对转录组学结果进行验证，确定关键差异表达基因。