高级醇 · 代谢工程文献库

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Improving high carbon dioxide tolerance and carbon dioxide fixation capability of Chlorella sp. by adaptive laboratory evolution

作者
Dengjin Li, Liang Wang, Quanyu Zhao, Wei Wei, Yuhan Sun
单位
Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences; University of Chinese Academy of Sciences; ShanghaiTech University
杂志
Bioresource Technology（2015）
DOI
10.1016/j.biortech.2015.03.011
所属领域
代谢工程
关键词
Adaptive laboratory evolutionCO2 fixationChlorella sp.High CO2 concentration tolerance
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解决的核心问题

微藻固定CO2是减少温室气体排放的可行方法，但普通微藻难以耐受烟气中10-30%的高浓度CO2，缺乏兼具高CO2耐受性和高固定能力的藻株。

研究策略

利用适应性实验室进化（ALE）在10%和20% CO2胁迫下对Chlorella sp.进行31轮、97天的连续培养，筛选获得高CO2耐受且生长快速的进化藻株AE10和AE20。

研究路线图

100%
研究问题：微藻难以耐受高浓度CO2
核心目标：筛选高CO2耐受且高固定能力藻株
策略：适应性实验室进化（ALE）
关键改造：10%和20% CO2胁迫、31轮97天连续培养
关键结果：进化藻株AE10和AE20获得
结果亮点：30% CO2下生物量3.68 g/L（原始藻株的2.94倍）
结果亮点：色素含量显著提高、生长率后期提升1.33-1.47倍
结论：ALE有效提升CO2耐受性，10%为最佳胁迫选择
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核心内容

针对普通微藻难以耐受烟气中高浓度二氧化碳的问题，该研究采用适应性实验室进化策略，在10%和20%二氧化碳胁迫下对Chlorella sp.进行31轮、为期97天的连续培养，筛选获得高耐受且生长快速的进化藻株AE10和AE20。结果显示，AE10在30%二氧化碳下的最大生物量浓度达3.68 g/L，分别是AE20和原始藻株的1.22倍和2.94倍；其在1%二氧化碳下最高生物量达4.06 g/L，同时叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别较原始藻株提高49%、48%和46%。进化后期（27-31轮）的平均生长率比早期（2-6轮）在10%和20%二氧化碳下分别提高1.33倍和1.47倍。研究还发现，10%二氧化碳作为胁迫条件优于20%，且进化藻株的生化组成随二氧化碳浓度变化显著。该工作证明适应性实验室进化是提升微藻高二氧化碳耐受性和固定能力的有效手段，合理选择胁迫强度对获得优良性状至关重要，为获得适用于烟气碳固定的工程藻株提供了可行路径。

创新点

首次采用ALE方法系统提升Chlorella sp.对10%-30%高浓度CO2的耐受性；发现10% CO2作为胁迫条件优于20% CO2；进化后藻株在1%-30% CO2范围内均表现出快速生长。

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Chlorella sp. 光合作用/CO2浓缩机制 — — 调控 通过ALE在10%和20% CO2下进化获得AE10和AE20菌株，提高CO2耐受性及光合色素含量。
Chlorella sp. CO2固定途径 — — 催化 进化菌株在高CO2浓度下维持高CO2固定速率，表现为培养液pH高于原始菌株。
Chlorella sp. 碳水化合物代谢 — — 调控 高CO2浓度促进碳水化合物形成，AE10在1%-20% CO2下碳水化合物含量稳定。
Chlorella sp. 脂质代谢 — — 调控 脂质含量随CO2浓度升高而减少，但进化藻株脂质含量较原始菌株提高。
Chlorella sp. 蛋白质合成 — — 调控 20% CO2进化藻株蛋白含量显著提高，可能是对严重环境胁迫的适应。

关键发现

  1. AE10在30% CO2下最大生物量浓度为3.68±0.08 g/L，分别是AE20和原始藻株的1.22倍和2.94倍
  2. 原始藻株在11天时生物量从1% CO2下的3.12 g/L降至20% CO2下的1.71 g/L和30% CO2下的1.25 g/L，而AE10在1% CO2下最高达4.06±0.04 g/L
  3. 与原始藻株在1% CO2下相比，AE10在同一条件下的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素最高含量分别提高49%、48%和46%
  4. 适应进化后期（27-31轮）相比早期（2-6轮）在10%和20% CO2下的平均生长率分别提高1.33倍和1.47倍
  5. 原始藻株在30% CO2下碳水化合物含量相比1%提高20.9%，AE10在30% CO2下碳水化合物含量相比10%提高29.6%
  6. AE20在20% CO2进化后蛋白含量相比原始藻株在1% CO2下增加超过10%
  7. 最高脂质含量为20.9±1.7%（由20% CO2进化藻株在1% CO2下获得），分别为原始藻株在1%和30% CO2下脂质含量的1.27倍和1.60倍。

研究结论

ALE是提高Chlorella sp.高CO2耐受性和CO2固定能力的有效方法，合理选择胁迫强度（10% CO2优于20% CO2）对获得优良性状至关重要；进化藻株的生长改善与色素含量升高及合适的叶绿素a/b比值相关，且生化组成受CO2浓度影响。