近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所研究員黃青課題組在基于生物光譜快速篩選高產(chǎn)蝦青素突變株方面取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際光譜學(xué)專業(yè)期刊Applied Spectroscopy 和應(yīng)用微生物學(xué)期刊Letters in Applied Microbiology 上。
蝦青素是一種類胡蘿卜素，具有極強(qiáng)的抗氧化能力，被廣泛應(yīng)用于化妝品、食品、畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖中的飼料等領(lǐng)域。雨生紅球藻是天然蝦青素生產(chǎn)的主要來源，但是自然界中的雨生紅球藻藻種具有蝦青素產(chǎn)量低、生長速率慢的缺點(diǎn)，這就需要發(fā)展高效的雨生紅球藻的品種選育技術(shù)，其中包括誘變和篩選技術(shù)。黃青研究組對此開展了研究。
他們首先在利用低溫等離子體獲得多種雨生紅球藻突變株方面取得進(jìn)展。但是，如何從這些誘變株中快速篩選具有高產(chǎn)蝦青素性能的突變株，是需要解決的關(guān)鍵問題，對發(fā)展高效的誘變育種技術(shù)至關(guān)重要，為此，黃青提出基于生物光譜的誘變藻株篩選方法。生物光譜是利用生物分子或者基團(tuán)的發(fā)射、吸收或者散射光譜的特征來確定其組分、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及含量，它具有簡單、快速、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和無損檢測等優(yōu)勢，結(jié)合顯微成像能夠?qū)崿F(xiàn)對生物體進(jìn)行多組分、微觀空間的觀測。課題組從分析雨生紅球藻細(xì)胞的化學(xué)成分及隨時(shí)間變化過程入手，研究其生長代謝關(guān)系，在其早期生長階段鑒別出高產(chǎn)蝦青素的誘變株，并建立起有效的光譜篩選的方法。
研究顯示，利用紅外和拉曼顯微光譜及成像技術(shù)可以很好地對蝦青素、β胡蘿卜素、蛋白質(zhì)、脂類和多糖的含量和空間分布進(jìn)行快速定量分析。這樣，可以在細(xì)胞水平上分析產(chǎn)蝦青素的過程，從而建立在生長早期對高產(chǎn)蝦青素突變藻株快速鑒別的方法。在應(yīng)用紅外光譜中，他們發(fā)現(xiàn)用光譜吸收強(qiáng)度I(1740)/I(1156)可以預(yù)測蝦青素產(chǎn)量，以此可以作為測度不同藻株中蝦青素含量的一個(gè)重要光譜篩選指標(biāo)。另一方面，利用拉曼光譜顯微成像并結(jié)合多元曲線分辨（MCR）分析方法，能夠在單細(xì)胞水平上對蝦青素、β胡蘿卜素和葉綠素的含量實(shí)現(xiàn)定量分析。此外，還應(yīng)用紅外和拉曼光譜結(jié)合主成分分析（PCA）能夠?qū)崿F(xiàn)不同蝦青素產(chǎn)量的雨生紅球藻突變株快速區(qū)分。這些研究結(jié)果發(fā)表于國際光譜學(xué)專業(yè)期刊Applied Spectroscopy。
此外，黃青研究組還探索了對藻株群體細(xì)胞的近紅外光譜（NIRS：near-infrared spectroscopy）篩選方法。他們把群體藻株的近紅外光譜并結(jié)合生化檢測建立了基于偏最小二乘（PLS）的生物量、蝦青素含量及蝦青素在藻細(xì)胞的干重的百分含量的預(yù)測模型，由此可以對蝦青素不同產(chǎn)量的雨生紅球藻突變株進(jìn)行預(yù)測，獲得較高的預(yù)測準(zhǔn)確率。這項(xiàng)工作發(fā)表于Letters in Applied Microbiology。
以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助和支持。
圖2：雨生紅球藻培養(yǎng)20天后不同突變株的（a）紅外光譜顯微成像分析圖和（b）拉曼光譜顯微成像分析圖
