Enhancing carbohydrate repartitioning into lipid and carotenoid by disruption of microalgae starch debranching enzyme

作者: Yuichi Kato, Tomoki Oyama, Kentaro Inokuma, Christopher J. Vavricka, Mami Matsuda, Ryota Hidese, Katsuya Satoh, Yutaka Oono, Jo-Shu Chang, Tomohisa Hasunuma, Akihiko Kondo
单位: 神户大学; 理化学研究所; 成功大学; 中原大学; 东京理科大学
杂志: Communications Biology（2021）
DOI: 10.1038/s42003-021-01976-8
所属领域: 代谢工程
关键词: 代谢工程光暗循环微藻淀粉脱支酶类胡萝卜素脂质积累
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解决的核心问题

户外微藻培养中光暗循环会降低脂质积累，需要找到改善该条件下脂质积累的代谢工程靶点。

研究策略

以Chlamydomonas sp. JSC4为亲本，通过碳离子束诱变结合光暗循环条件下的FACS筛选获得脂质丰富突变体KOR1，并通过基因组分析、代谢组学、13C标记和电镜等手段解析其机制。

研究路线图

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核心内容

该研究以微藻Chlamydomonas sp. JSC4为对象，针对户外培养中光暗循环抑制脂质积累的问题，通过碳离子束诱变结合光暗循环条件下的FACS筛选获得脂质丰富突变体KOR1，并利用基因组分析、代谢组学、13C标记及电镜等手段解析其机制。结果显示，KOR1中淀粉脱支酶基因ISA1发生插入/缺失突变，导致碳水化合物降解加速并重新分配碳资源。在光暗循环条件下，KOR1第12天脂质含量达42.2%，为亲本JSC4（21.0%）的2.01倍，最大脂质生产率达160.0 mg L-1 day-1，较亲本提高1.46倍；碳水化合物含量在光照期最高达22.5%，黑暗期降至接近零，同时叶黄素和β-胡萝卜素最大含量分别达2.64和1.27 mg gDCW-1。代谢组学和13C标记进一步证实Calvin循环、糖酵解及脂质合成途径中间代谢物显著增加。该工作首次在光暗循环条件下筛选脂质高产突变体，证明破坏ISA1基因是改善微藻脂质积累的有效代谢工程策略，为户外规模化生产提供了新靶点。

创新点

首次在光暗循环条件下筛选脂质丰富突变体；发现淀粉脱支酶ISA1基因的插入/缺失突变是提高脂质积累的关键；证明DBE缺失促进碳水化合物降解并重新分配碳资源到脂质和类胡萝卜素。

研究对象（5）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Chlamydomonas sp. JSC4	淀粉合成/降解	ISA1	异淀粉酶型淀粉脱支酶（DBE）	催化	KOR1中ISA1发生大片段缺失和插入突变，导致DBE活性显著降低
Chlamydomonas sp. KOR1	脂质合成	—	—	调控	DBE缺失导致碳水化合物降解并重新分配至脂质合成，脂质含量提高
Chlamydomonas sp. KOR1	类胡萝卜素合成	—	—	调控	DBE缺陷增加叶黄素和β-胡萝卜素积累
Chlamydomonas reinhardtii sta7-10	淀粉合成/降解	ISA1	异淀粉酶型DBE	催化	对照DBE缺陷突变体，验证KOR1表型普遍性
Chlamydomonas sp. KOR1	中央碳代谢	—	—	调控	Calvin循环和糖酵解中间代谢物水平升高，碳通量增加

关键发现

突变体KOR1在光暗循环条件下脂质含量较亲本JSC4提高2.01倍（第12天时42.2% vs 21.0%）
次级筛选中脂质含量提高2.28倍
最大脂质生产率分别为160.0 mg L-1 day-1（KOR1）和109.3 mg L-1 day-1（JSC4），提高1.46倍
KOR1碳水化合物含量在光照期最高达22.5%，黑暗期降至约0%
叶黄素最大含量为2.64 mg gDCW-1（第8天），β-胡萝卜素最大含量为1.27 mg gDCW-1（第5天）
代谢组学显示KOR1中Calvin循环、淀粉、脂质和类胡萝卜素途径的中间代谢物显著增加
13C标记实验显示KOR1中3PG、F6P、G6P、PEP和G3P的新合成显著增加。

研究结论

破坏淀粉脱支酶（DBE）基因ISA1可加速碳水化合物降解并将碳资源重新分配到脂质和类胡萝卜素，是改善光暗循环条件下微藻脂质积累的有效代谢工程策略。