在氮限制条件下，对海洋微藻Nannochloropsis granulata的碳流重定向和脂质积累的转录组分析

《Journal of Experimental Marine Biology and Ecology》：Transcriptomic analysis of carbon flux redirection and lipid accumulation in the marine microalga Nannochloropsis granulata under nitrogen limitation

氮限制显著抑制N. granulata BDHo2细胞生长及叶绿素a合成，促进碳储存化合物积累，转录组分析揭示能量代谢基因（卡尔文循环、糖酵解）下调，而脂肪酸降解、三羧酸循环及膜脂质重塑相关基因上调，表明膜脂质周转和重塑在脂质合成中起更重要作用，为氮限制下的能量分配和脂质代谢机制提供依据。

　　

作者：史尚、朱俊伟、李玲、王玉洁、张文静

单位：中国厦门大学海洋与地球科学学院海洋环境科学国家重点实验室

摘要

氮限制是调节微藻脂质积累的关键环境因素。为了研究氮浓度对Nannochloropsis granulata BDHo2的影响，将细胞分别培养在氮限制（5 μmol/L）、氮充足（100 μmol/L）和氮充足（1000 μmol/L）条件下，并对其进行了生理学和转录组分析。与氮充足组相比，氮限制组表现出更显著的转录变化。在氮限制条件下，参与能量代谢的基因（包括卡尔文循环和糖酵解）的转录下调，表明细胞可能通过抑制与碳固定相关的蛋白质合成来节省氮。参与脂肪酸合成的基因显著下调，而参与脂肪酸降解、甘油脂合成和三羧酸循环的基因显著上调，这表明膜脂质降解可能为中性脂质合成提供底物，脂肪酸降解可能为三羧酸循环提供额外能量。尽管一些参与氮同化的基因的转录减少，但编码硝酸盐转运蛋白的基因显著上调。在氮充足组中，差异表达的基因较少，主要涉及一些与三羧酸循环和脂肪酸降解相关的基因下调。总体而言，与从头脂肪酸合成相比，膜脂质的周转和重塑在N. granulata BDHo2的脂质合成中可能起更重要的作用。本研究提供了在不同氮浓度下N. granulata的转录组特征，特别是氮限制条件下的转录组信息，为氮限制下的能量重新分配和脂质重塑提供了基于转录组的见解。

引言

全球对能源的需求持续增加，而传统化石燃料的储备正在逐渐枯竭。此外，化石燃料的燃烧导致严重的环境问题。因此，寻找绿色、可再生和可持续的替代能源已成为社会的紧迫任务。来自生物质的脂质与化石燃料具有结构相似性，并且具有高能量密度，使其成为生物柴油生产的重要原料。其中，微藻三酰甘油（TAGs）被视为极具前景的生物资源，已在全世界范围内得到广泛研究（Xiao等人，2015年）。与陆地植物不同，Nannochloropsis物种不会与粮食作物争夺耕地（Schüler等人，2017年）。它们生长迅速，环境适应性强，天然含有较高的TAG含量。因此，它们被认为是最具前景的用于生物技术的油性微生物之一（Xiao等人，2015年；Ananthi等人，2021年）。

属于Ochrophyta门和Eustigmatophyceae纲，是一种单细胞真核微藻。它至少包括七个物种：Nannochloropsis australis、Nannochloropsis gaditana、Nannochloropsis granulata、Nannochloropsis limnetica、Nannochloropsis oceanica、Nannochloropsis oculata和Nannochloropsis salina（Andersen等人，1998年；Fawley等人，2015年）。其中，N. limnetica是唯一的淡水物种，其余为海洋物种（Krienitz等人，2000年）。Nannochloropsis细胞只含有叶绿素，缺乏辅助叶绿素。其主要类胡萝卜素是 violaxanthin、β-胡萝卜素和 vaucheriaxanthin 酯（Basso，2014年）。由于富含多不饱和脂肪酸（PUFAs），特别是二十碳五烯酸（EPA），Nannochloropsis成为水产养殖的关键饲料来源（Tonon等人，2002年；Gbadamosi和Lupatsch，2018年），并用于生产高价值食品和生物活性化合物（Converti等人，2009年；Jesionowska等人，2023年）。Nannochloropsis还具有高油产率和光合效率，能够积累占其干细胞重量60%的脂质（Xu，2022年）。当前的研究趋势是将TAGs或PUFAs的生物合成与其他高价值亲脂性代谢物的积累相结合，以提高整体经济价值（Schüler等人，2017年；Sivakumar等人，2022年）。

Nannochloropsis

物种的脂质组成和含量在很大程度上受营养素可用性的调节。在这些因素中，氮胁迫被认为是促进TAG积累的最有效刺激之一（Meng等人，2015年；Schüler等人，2017年）。在最佳氮条件下，Nannochloropsis优先合成膜极性脂质，占其干细胞重量的5-20%。相反，在氮限制条件下，中性脂质（主要是TAGs）的合成得到促进（Hu等人，2008年；Ma等人，2016年）。高TAG含量显著提高了基于微藻的生物柴油的生产效率（Chisti，2007年）。

鉴于脂质生物合成的多途径调节，转录组分析是阐明其潜在调控机制的有效工具（Rismani-Yazdi等人，无日期）。先前的研究已经测序并注释了多种Nannochloropsis

物种的转录组，为不同氮条件下的代谢途径提供了宝贵的见解（Liang等人，2013年；Corteggiani Carpinelli等人，2014年；Li等人，2014年）。在N. oceanica中，虽然在氮限制条件下大多数参与从头脂肪酸合成的基因下调，但与三羧酸（TCA）循环、糖酵解、脂肪酸β-氧化和磷脂代谢的Kennedy途径相关的基因上调（Li等人，2014年；You等人，2020年）。相反，在N. gaditana中，直接参与脂质合成的基因没有显著变化，而与线粒体氧化和TCA循环相关的基因显著下调（Corteggiani Carpinelli等人，2014年）。在Nannochloropsis PJ12和NL117菌株中，氮限制诱导了氮代谢相关基因的上调以及脂肪酸合成相关基因的下调（Liang等人，2013年；Liang等人，2019年）。

Nannochloropsis granulata

BDHo2最初是从中国渤海分离出来的。系统发育分析证实了它与N. granulata的密切关系（Karlson等人，1996年）。该菌株是中国首次记录的N. granulata菌株，并与中国沿海水域最早的Nannochloropsis爆发有关（Zhang等人，2015年）。不同的Nannochloropsis物种在氮波动下的转录反应存在明显的种间差异，尤其是在脂质合成途径中。然而，N. granulata的转录反应尚未被报道。

在这项研究中，系统地研究了海洋微藻N. granulata

BDHo2在三种氮浓度（5、100和1000 μmol/L）下的生理、生化和转录组反应。通过分析细胞生长、色素含量、颗粒有机碳和氮的积累以及关键代谢途径中的基因表达模式，我们研究了Nannochloropsis granulata在氮限制和氮充足条件下的特定转录反应。这些发现为理解不同氮水平下的转录组重编程提供了框架。结果表明，氮限制显著抑制了细胞生长和叶绿素的合成，同时促进了碳储存化合物的积累。进一步的转录组分析显示，在氮限制条件下，参与卡尔文循环和从头脂肪酸合成的基因大幅下调，而参与甘油骨架重新酯化、膜脂质重塑、三羧酸循环和β-氧化的基因显著上调。

实验设计与方法

微藻培养和实验设计

Nannochloropsis granulata

BDHo2菌株由天津科技大学提供，该菌株从天津沿海地区分离并维持在纯培养状态。通过测序验证其身份为N. granulata

。藻类在Aquil培养基（表S1）中培养，培养容器为850 mL的一次性细胞培养瓶，置于人工气候室中（Price等人，1989年）。关于营养素、金属和维生素溶液的信息...

N. granulata

对不同氮浓度的生理反应

在氮限制组（CL）中，第5天氮耗尽，从第6天开始细胞密度趋于稳定（图1），表明细胞内氮储备耗尽。第8天和第9天观察到不同氮处理组之间的细胞浓度有显著差异（图2A）。CL组的细胞密度最低，而氮充足组（CR）的细胞密度略低于对照组（CC）。生长率数据（图2B）表明低氮浓度限制了...

结论

本研究系统地研究了海洋微藻Nannochloropsis granulata

BDHo2在不同氮浓度下的生理反应和转录组调控机制。结果表明，氮限制显著抑制了细胞生长和叶绿素的合成，同时促进了颗粒有机碳的积累。转录组分析揭示了氮缺乏条件下的基因表达广泛重编程。

作者贡献声明

史尚：撰写初稿、正式分析、概念构思。 朱俊伟：正式分析、概念构思。 李玲：撰写、审稿与编辑、监督。 王玉洁：撰写、审稿与编辑、监督、正式分析、概念构思。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了[ChatGPT（OpenAI）来[提高清晰度和语法]。使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：

张文静报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务...

致谢

感谢孙军教授和刘海娇副教授提供Nannochloropsis granulata

BDHo2菌株。本研究得到了中国国家自然科学基金（42141003, 42176147）的资助。