超声处理通过整合生理反应和转录组学变化，促进了Reinhardtii衣原体的生长

《Food Bioscience》：Ultrasonic treatment enhances the growth of Chlamydomonas reinhardtii through integrated physiological and transcriptomic responses

超声处理通过激活三羧酸循环相关基因（ACS、IDH1、OGDH）显著提升衣藻生物量及脂质、蛋白质、碳水化合物含量，抗氧化系统有效缓解氧化损伤。

刘旭新|康晓波|刘长红|郑雷

中国合肥工业大学食品与生物工程学院，教育部生物过程工程研究中心，合肥，230009

摘要

莱茵衣藻（C. reinhardtii）作为一种新兴的食物来源，目前缺乏高效的培养诱导方法，这限制了其工业化生产。本研究通过综合生理和转录组分析，探讨了超声波处理对C. reinhardtii培养的影响。最佳处理条件为175瓦特，持续5分钟，应用于培养初期。培养结束时，与对照组相比，超声波处理组的生物量、蛋白质、碳水化合物和脂质含量分别增加了24%、40%、24%和44%，而叶绿素水平保持不变。超声波处理导致细胞内过氧化物暂时升高，但通过增强SOD、POD和CAT的活性得到了有效缓解。因此，最终DCF荧光值、MDA和H₂O₂水平与对照组没有显著差异。转录组分析显示，超声波处理显著上调了与碳水化合物代谢、蛋白质合成和脂质代谢相关的基因。富集分析进一步表明，超声波处理激活了MAP激酶活性，并下调了多个与代谢、生物和生物合成过程相关的负调控因子。乙酰辅酶A合成酶（ACS）、异柠檬酸脱氢酶（IDH1）和2-氧戊二酸脱氢酶E1组分（OGDH）的上调促进了以乙酸为驱动的TCA循环，从而增加了生物量和主要细胞成分。这些结果表明，超声波处理是C. reinhardtii工业化培养的一种高效且有前景的策略。

引言

微藻以其高光合效率和强大的环境适应性而闻名，广泛分布于各种水生生态系统中（Tan等人，2020年）。由于它们出色的营养积累能力、在培养中的高度可控性以及低土地需求，微藻被认为是可持续生物制造系统的关键资源（Chen等人，2024年）。此外，微藻能够合成高价值的生物活性化合物，如虾青素和类胡萝卜素，在功能性食品应用中具有巨大潜力（Yu等人，2024年）。因此，开发科学高效的微藻培养方法已成为工业应用的主要研究焦点。

常用的化学和物理处理方法可以促进微藻培养（Razzak等人，2024年）。化学处理方法，如盐胁迫、植物激素补充和氮限制，可以促进目标代谢产物的积累（Yu等人，2015年），但往往会导致生物量或其他营养成分减少。例如，在盐胁迫下，小球藻的生物量减少了34%（Yang等人，2023年），而Desmodesmus属的蛋白质含量减少了28%（Li, Chen等人，2022年），尽管脂质含量总体有所增加。这些限制了化学处理的工业应用。物理处理方法通常涉及调节光照强度、光周期和波长，由于易于控制而更被广泛采用（Chew等人，2018年）。超声波能够在液体介质中产生空化、机械振动和热效应，传统上用于控制有害藻类爆发（Zhang等人，2021年）或作为从微藻中提取脂质和色素的方法（Liu等人，2022年）。然而，一些研究表明，适当的超声波处理可以增强细胞膜的通透性并重新分配微藻细胞内的能量（Han, Pei, Hu, Jiang等人，2016年）。经过优化的超声波处理后，小球藻的生物量增加了40%，脂质含量增加了37%（Xie等人，2020年），而Scenedesmus属的生物量增加了27%，脂质含量增加了37%（Ren等人，2019年）。总之，超声波处理在同时改善微藻生长和产品合成方面显示出巨大潜力，为其未来应用带来了希望。

值得注意的是，微藻在不同生长阶段表现出显著的生理异质性，这一因素在以往关于超声波处理的研究中经常被忽视（Han, Pei, Hu, Zhang等人，2016年）。初始阶段的生长缓慢，生物量积累有限；对数生长阶段光合作用活跃，细胞分裂迅速；稳定生长阶段则通常伴随着大量生物活性化合物的积累（Liao等人，2018年；Sweiss等人，2024年）。因此，确定最佳超声波处理阶段以协同促进生物量和有价值成分的积累对于实现高效培养至关重要。在各种微藻物种中，莱茵衣藻（C. reinhardtii含有丰富的脂质和蛋白质，具有巨大潜力（Darwish等人，2020年），并于2022年正式被批准为中国新型食品成分。然而，鉴于不同微藻物种之间的基因组和生理差异（Minhas等人，2020年），目前尚不清楚超声波处理是否对C. reinhardtii有积极影响。此外，现有研究仅限于监测生理指标，尚未进一步探讨超声波处理引起的基因表达变化（Vintila等人，2023年）。这一知识空白严重限制了对其培养的有效调控和进一步发展。

本研究探讨了不同条件下超声波处理对C. reinhardtii生物量和主要细胞成分的影响。此外，通过分析抗氧化系统和转录组反应，全面评估了最佳超声波处理条件。结果为C. reinhardtii中应用超声波处理提供了理论基础，并提出了开发高效可控培养方法的新策略。

部分摘录

微藻菌株和培养条件

本研究中使用的微藻菌株C. reinhardtii GY-D55来自上海广宇生物科技有限公司。这些微藻在Tris-Acetate-Phosphate（TAP）培养基中培养，培养基成分如下：2.42克/升三聚酸、375毫克/升NH₄Cl、100毫克/升MgSO₄·7H₂O、50毫克/升CaCl₂·2H₂O、28.8毫克/升K₂HPO₄、14.4毫克/升KH₂PO₄、5毫克/升Na₂EDTA·2H₂O、2.2毫克/升ZnSO₄·7H₂O、1.14毫克/升H₃BO₃、0.5毫克/升MnCl₂·4H₂O、0.5毫克/升FeSO₄·7H₂O、0.16毫克/升CoCl₂·6H₂O、0.16毫克/升CuSO₄·5H₂O、0.11毫克/升(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O。

不同超声波处理对C. reinhardtii培养的影响

通过监测生物量的变化来评估超声波处理对C. reinhardtii培养的影响。培养结束时，125瓦特、150瓦特和175瓦特处理组的生物量均高于对照组（图1A），表明超声波处理可能是一种有效的促进生长的策略。在测试的强度中，175瓦特被认为是最佳的，其生物量显著高于其他组。

结论

在培养初期应用175瓦特、持续5分钟的超声波处理有效促进了C. reinhardtii的生长，同时增加了碳水化合物、蛋白质和脂质的积累。观察到的抗氧化能力增强以及过氧化物水平恢复到基线水平表明，超声波处理引发了适应性反应。转录组分析显示，微藻感知到了压力，导致MAP激酶活性（GO:0004707）的上调。

CRediT作者贡献声明

刘旭新：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验设计、数据分析、概念化。康晓波：方法学设计、数据分析。刘长红：撰写——审稿与编辑、监督、资源调配、项目管理、资金筹集。郑雷：撰写——审稿与编辑、监督、资源调配、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了安徽省杰出青年科学基金（2508085J022）、安徽省高校协同创新计划（GXXT-2022-073）、苏州市重大科技项目（SZKJXM202310）以及中央高校基本科研业务费专项（JZ2024HGTG0286、PA2025GDGP0026）的支持。