LED調(diào)光和補氮聯(lián)合策略提高兼養(yǎng)三角褐指藻的巖藻黃素產(chǎn)量

光語小編 — Thu, 02 Jul 2020 02:35:42 +0000

轉(zhuǎn)自：微藻技術(shù)與產(chǎn)業(yè)

華南理工大學(xué)在海洋微藻生產(chǎn)巖藻黃素研究方面取得重要突破——LED調(diào)光和補氮聯(lián)合策略提高兼養(yǎng)三角褐指藻的巖藻黃素產(chǎn)量

巖藻黃素（Fucoxanthin）是一種廣泛存在于海洋藻類的類胡蘿卜素，占整個生物圈中所有類胡蘿卜素含量的10%以上。巖藻黃素具有抗癌、抗肥胖、預(yù)防糖尿病及阿爾茲海默癥等功效，在生物醫(yī)藥和功能食品領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。目前商業(yè)化巖藻黃素的主要來源是海帶、裙帶菜等大型褐藻，這類原料中巖藻黃素含量極低（僅約為干重的0.01%），提取困難、加工成本高且產(chǎn)物純度低，難以滿足日益增長的市場需求。海洋硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）生長速度快，可進行自養(yǎng)和兼養(yǎng)培養(yǎng)，自養(yǎng)下其巖藻黃素含量高達干重的1%~6%，是大型海藻的上百倍。三角褐指藻來源的巖藻黃素藻油已獲得美國FDA認證，作為肝臟脂肪控制的膳食補充劑，是國際市場的新寵。

目前，三角褐指藻的培養(yǎng)主要在自養(yǎng)條件下進行，生物量濃度低、培養(yǎng)時間長，不利于高效生產(chǎn)巖藻黃素。前人研究表明，三角褐指藻在兼養(yǎng)條件下生物量干重可達3~15 g/L，但類胡蘿卜素含量通常只有干重的0.5%~0.7%。開發(fā)三角褐指藻在兼養(yǎng)條件下快速生長及高效積累巖藻黃素的關(guān)鍵技術(shù)是目前亟待突破的瓶頸。

華南理工大學(xué)魏東教授課題組系統(tǒng)研究了三角褐指藻響應(yīng)不同光質(zhì)與補氮策略的特性，建立了兩階段兼養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了巖藻黃素在該藻中的高效積累。研究論文“Improving fucoxanthin production in mixotrophic culture of marine diatom Phaeodactylum tricornutum by LED light shift and nitrogen supplementation”近期發(fā)表在國際生物工程期刊Frontiers in Bioengineering and Biotechnology。?

圖1 不同光質(zhì)條件下三角褐指藻的兼養(yǎng)培養(yǎng)

該研究先在搖瓶中優(yōu)化了三角褐指藻的兼養(yǎng)培養(yǎng)條件，發(fā)現(xiàn)在較高接種密度（1×10⁷cells/mL）和較低光照強度（20 μmol/m²/s）下，有利于三角褐指藻生物量和巖藻黃素積累。在紅藍混合光（6:1）和純藍光照射下，可分別達到最大生物量濃度（5.53 g/L）和最高巖藻黃素含量（16.28 mg/g）。因此，在第一階段采用紅藍混合光（6:1）用于促進細胞生長，在第二階段采用加強藍光及補氮操作，用于促進生物量及巖藻黃素積累。通過轉(zhuǎn)換光質(zhì)和補氮的兩步法操作，三角褐指藻在第二階段獲得了最高生物量濃度（6.52 g/L）和巖藻黃素產(chǎn)率（8.22mg/L/d）。與第一階段相比，每個細胞內(nèi)巖藻黃素含量（pg/cell）提升了12%。對巖藻黃素合成途徑中關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄水平的qRT-PCR分析表明，在第二階段中編碼八氫番茄紅素合成酶（PSY）、玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶（ZEP）和巖藻黃素–葉綠素復(fù)合蛋白體b （FCPb）的基因轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，而編碼紫黃素環(huán)氧化酶（VDE）的基因轉(zhuǎn)錄水平顯著下調(diào)，結(jié)果顯著提升了巖藻黃素含量。

圖2 兩步法兼養(yǎng)培養(yǎng)三角褐指藻的生產(chǎn)性能與巖藻黃素合成途徑中關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

本研究開發(fā)的兩步法培養(yǎng)工藝，巖藻黃素產(chǎn)率是目前報道的最高水平，為今后利用三角褐指藻規(guī)模光發(fā)酵生產(chǎn)巖藻黃素奠定了新技術(shù)基礎(chǔ)。研究亮點：

高接種密度和低光強培養(yǎng)有利于兼養(yǎng)三角褐指藻生物量及巖藻黃素積累；
兼養(yǎng)條件下紅藍混合光（6:1）可以促進三角褐指藻生物量的積累；
兼養(yǎng)條件下藍光可以顯著提高三角褐指藻胞內(nèi)巖藻黃素的含量；
LED調(diào)光和補氮聯(lián)合策略可以獲得最高巖藻黃素產(chǎn)率8.22 mg/L/d；
在兩步法兼養(yǎng)培養(yǎng)中巖藻黃素合成關(guān)鍵基因顯著上調(diào)促進了巖藻黃素合成。

【論文出處】

RunqingYang, Dong Wei. Improving fucoxanthin production in mixotrophic culture of marine diatom Phaeodactylum tricornutum by LED light shift and nitrogen supplementation. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. doi: 10.3389/fbioe.2020.00820.

【作者】楊潤青（博士生）、魏東（教授）

【魏東教授簡介】

華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。研究方向為生物轉(zhuǎn)化和營養(yǎng)工程——面向功能食品、環(huán)境修復(fù)和廢棄物資源化利用的工業(yè)生物技術(shù)，主要包括：

1、圍繞工業(yè)生物技術(shù)的核心內(nèi)容，針對富含生物活性物質(zhì)和高效環(huán)境修復(fù)的微藻（酵母）優(yōu)良種質(zhì)，建立“組學(xué)”（Omics）技術(shù)平臺，在轉(zhuǎn)錄組、代謝組（脂組）、細胞組、藻際微生物組水平上，重點探索營養(yǎng)與環(huán)境因子對微藻與藻際微生物的作用機制、微藻光合作用和光發(fā)酵過程中碳氮磷高效生物轉(zhuǎn)化及代謝調(diào)控機制的基礎(chǔ)科學(xué)問題；

2、在應(yīng)用技術(shù)上，著重開發(fā)微藻與藻際微生物組培養(yǎng)系統(tǒng)、微藻高密度（光）發(fā)酵、微藻戶外大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)及其在生物轉(zhuǎn)化積累植物蛋白、油脂、生物活性物質(zhì)（類胡蘿卜素、胞外多糖、藻膽蛋白）方面的調(diào)控技術(shù)，為微藻生物活性物質(zhì)的開發(fā)、環(huán)境修復(fù)、三廢（廢水、廢氣、廢渣）處理與資源化利用、生物餌料和生物飼料配料、生物能源的開發(fā)解決產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。

已承擔國家級、省部級、市級科研項目和企業(yè)委托項目30余項，發(fā)表論文140余篇、申報專利24件（授權(quán)10件）?，F(xiàn)任中國藻業(yè)協(xié)會理事、中國海洋與湖沼學(xué)會海洋生物技術(shù)分會理事和藻類分會理事。Energy Conversion and Management (Q1, 2019 IF 8.208)、Critical Reviews in Biotechnology (Q1, 2019 IF 8.108)、BioresourceTechnology (Q1, 2019 IF 7.539)、Journalof CO₂?Utilization?(Q1, 2019 IF 6.193)等26個SCI國際期刊審稿人，澳大利亞阿德萊德大學(xué)博士論文評審人。教育部全國萬名優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師人才庫首批入庫導(dǎo)師；華南理工大學(xué)創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師；國家人社部認證的創(chuàng)業(yè)咨詢師。

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