Time-resolved transcriptome analysis during transitions of sulfur nutritional status provides insight into triacylglycerol (TAG) and astaxanthin accumulation in the green alga Chromochloris zofingiensis
- 作者
- Xuemei Mao, Yongmin Lao, Han Sun, Xiaojie Li, Jianfeng Yu, Feng Chen
- 单位
- Shenzhen Key Laboratory of Marine Microbiome Engineering, Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; Institute for Innovative Development of Food Industry, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2020）
- DOI
- 10.1186/s13068-020-01768-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示绿藻Chromochloris zofingiensis在硫营养状态转变（硫饥饿SS和硫恢复SR）条件下三酰甘油（TAG）和虾青素积累的分子调控机制，特别是转录水平上的动态变化和关键基因靶点。
研究策略
采用两阶段培养（硫饥饿和硫恢复），结合生理生化指标（生物量、叶绿素、ROS、脂质、蛋白质、淀粉、类胡萝卜素含量）和时间分辨转录组分析（BGISEQ-500测序），通过DEG分析、KEGG富集、GO分析和共表达聚类，构建TAG和虾青素积累的调控模型。
核心内容
该研究以绿藻Chromochloris zofingiensis为对象，通过两阶段培养策略结合生理生化测定与时间分辨转录组测序，系统解析了硫饥饿及硫恢复过程中三酰甘油（TAG）和虾青素积累的分子调控机制。结果显示，硫饥饿显著抑制细胞生长并升高活性氧水平，诱导碳流向脂质和类胡萝卜素合成重新分配：培养4天后总脂肪酸含量达25.5%干重（对照10.6%），TAG含量达15.7%干重，虾青素同步显著积累。转录组分析揭示，硫饥饿6小时内大量差异表达基因被激活，其中脂肪酸合成关键酶KASI上调约14倍，TAG组装相关基因PAP3和DGTT5等显著上调，类胡萝卜素途径中LCYb和BKT1上调而竞争途径LCYe和ZEP被抑制，脂滴蛋白MLDP上调7.41倍。硫恢复后，上述生理和转录变化在12小时内基本逆转，表明该过程高度可逆。该研究揭示了硫营养状态转变下碳前体供给、NADPH生成和关键限速酶协同调控TAG与虾青素积累的机制模型，为通过代谢工程改造KASI、DGTT5、BKT1等关键靶点以提高目标产物共产量提供了理论依据。
创新点
['首次报道C. zofingiensis在硫饥饿和硫恢复条件下的时间分辨转录组动态，揭示可逆的TAG和虾青素积累过程', '阐明了DGTT5、BKT1和LCYb等关键酶在调控TAG和虾青素合成中的核心作用', '提出硫饥饿下通过增强糖酵解和氧化戊糖磷酸途径提供碳前体和NADPH，并抑制竞争途径以促进目标产物积累的机制模型']
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chromochloris zofingiensis | 三酰甘油（TAG）生物合成 | DGTT5 | 二酰甘油酰基转移酶2型（DGAT type II） | 催化 | 硫饥饿下显著上调，是TAG合成最后一步的关键酶，具有较高酶活 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素生物合成 | BKT1 | β-胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 硫饥饿下转录水平增至2.45倍，将β-胡萝卜素转化为虾青素 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | LCYb | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 硫饥饿下上调，引导萜类前体流向β-胡萝卜素分支 |
| Chromochloris zofingiensis | 三酰甘油（TAG）生物合成 | PAP3 | 磷脂酸磷酸酶 | 催化 | 硫饥饿下上调约7.4倍，可能是TAG合成的限速酶之一 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸从头合成 | KASI | 3-氧酰基-ACP合酶I | 催化 | 硫饥饿下上调约14.0倍，参与脂肪酸碳链延伸 |
| Chromochloris zofingiensis | 氧化戊糖磷酸途径（OPP） | G6PD | 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 | 催化 | 硫饥饿下上调，产生NADPH以支持脂肪酸和虾青素合成 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂滴形成/脂质储存 | MLDP | 主要脂滴蛋白 | 区室化 | 硫饥饿下上调约7.41倍，维持脂滴大小和结构 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | LCYe | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 硫饥饿下显著下调，抑制α-胡萝卜素分支以增加β-胡萝卜素前体 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 硫饥饿下调，减少玉米黄质向紫黄质转化，促进虾青素积累 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸从头合成 | ACCase (BC, BCCP, α-CT, β-CT) | 乙酰辅酶A羧化酶复合体亚基 | 催化 | 各亚基在硫饥饿6小时内均显著上调，提供丙二酰辅酶A |
| Chromochloris zofingiensis | 糖酵解/丙酮酸代谢 | PK3/5/6/7 | 丙酮酸激酶 | 催化 | 硫饥饿下多个PK亚型上调，增加丙酮酸供给用于脂质和类胡萝卜素合成 |
| Chromochloris zofingiensis | 丙酮酸脱氢酶复合体（PDHC） | PDHC3/4/5/7 | 丙酮酸脱氢酶复合体亚基 | 催化 | 硫饥饿早期（6h）强上调，提供乙酰辅酶A用于脂肪酸合成 |
关键发现
- 硫饥饿诱导C. zofingiensis细胞生长抑制、叶绿素含量下降、ROS水平升高（第I阶段末为对照的1.39倍，第II阶段末为1.65倍）。硫饥饿4天后，蛋白质含量从对照的约40%降至22.4%干重，总脂肪酸（TFA）含量达25.5%干重（对照10.6%），TAG含量达15.7%干重
- 虾青素显著积累，β-胡萝卜素水平下降。转录组分析显示，硫饥饿6小时内大量DEGs被激活，包括脂肪酸合成途径的KASI（上调约14.0倍）、KAR1（~10.9倍）、KAR2（~7.4倍）、ACCase各亚基，TAG合成途径的PAP3（~7.4倍）、DGAT1A、DGTT5、DGTT7、DGTT8，类胡萝卜素途径的LCYb（上调）和BKT1（2.45倍），同时LCYe和ZEP（竞争途径）下调
- 脂滴蛋白MLDP上调约7.41倍。硫恢复后，上述生理和转录变化在12小时内基本逆转。
研究结论
硫饥饿通过重新分配碳流和能量，促进C. zofingiensis中TAG和虾青素的积累：糖酵解和OPP途径上调提供丙酮酸、乙酰-CoA和NADPH，脂肪酸从头合成途径增强提供酰基链，PAP3和DGATs（特别是DGTT5）是TAG组装的关键限速酶，LCYb和BKT1将类胡萝卜素前体导向虾青素，同时竞争途径（LCYe和ZEP）被抑制。硫恢复可逆转变这些效应。该研究为通过代谢工程改造这些关键基因以提高TAG和虾青素共产量提供了靶点和理论基础。