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海洋所利用基因編輯技術獲得優質抗蟲的經濟微藻新種質

撰稿: 海洋研究所 發布時間:2022-12-05

  近日,中科院海洋所藻類生理過程與精準設計育種研究團隊在基因編輯技術創制新種質研究方面取得新進展,獲得了抗蟲且油脂含量高的海洋硅藻--三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)新種質,相關研究成果在國際生物技術領域TOP期刊Biotechnology for Biofuels and Bioproducts上發表。同時,該團隊利用基因編輯技術敲除了三角褐指藻的隱花色素基因獲得了高巖藻黃素含量的新種質,近期在藻類學期刊Algal Research上發表。 

  三角褐指藻是一種重要的經濟微藻,不僅可作為重要的水產餌料,還是一種高值產物的原材料。然而,原生動物的污染已成為三角褐指藻大規模養殖的主要限制性因子。因此,培育優質抗蟲的三角褐指藻新種質勢在必行。 

  藻類生理過程與精準設計育種研究團隊經過多年的努力,在三角褐指藻中發現了一個新基因(Pt2015)(圖1)。該團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術敲除了Pt2015,發現Pt2015的敲除藻株在細胞形態和生長速度,與野生型無顯著差異。該團隊發現Pt2015的過表達可導致三角褐指藻的細胞形態由梭型向具有特殊空間結構的三出放射型轉變,表明Pt2015蛋白是三角褐指藻細胞梭型向三出放射型轉變的正向觸發因子。研究還發現,由Pt2015過表達導致的三出放射型藻株經濟性狀極其穩定。該Pt2015過表達藻株呈現立體的三出放射型,對主要敵害動物(阿米巴)表現出明顯的抵抗能力(增強了2倍),同時細胞內總脂含量比野生型高約30%(圖2),而且生長速度與野生型無差異。這一基因的發現以及敲除和過表達藻株的獲得,不僅有助于我們深入認識硅藻細胞形態轉變機制,而且將為三角褐指藻的大規模培養提供油脂含量高且抗蟲能力強的新種質。 

  三角褐指藻還富含活性物質如EPA,DHA和巖藻黃素等,其中巖藻黃素具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化、減肥等多種功效,已成為海洋產業中的“明星產品”。過去主要從大型褐藻中提取巖藻黃素,然而得率低且品質不佳。目前,三角褐指藻已成為提取巖藻黃素的重要原材料。藻類生理過程與精準設計育種研究團隊利用基因編輯技術敲除了三角褐指藻的隱花色素基因(CryP),突變藻株的巖藻黃素含量顯著升高(圖3)。 這一研究成果將為巖藻黃素相關產業提供備選經濟藻株。  

  

  圖1 三角褐指藻Pt2015蛋白的細胞定位 

  

  圖2 WT(A),Pt2015敲除(B)和過表達(C)藻株的顯微和掃描電鏡照片及Bodipy505/515染色(G)  

  

  圖3 三角褐指藻隱花色素基因敲除藻株 

  發表在Biotechnology for Biofuels and Bioproducts的研究論文第一作者為高山副研究員和周璐博士, 通訊作者為王廣策研究員。發表在Algal Research的研究論文第一作者為碩士研究生楊文婷,通訊作者為高山副研究員和王廣策研究員。研究得到了國家重點研發計劃、山東省重點研發計劃、國家藻類產業技術體系及國家自然科學基金等項目的資助。 

  相關研究成果: 

  Gao Shan#, Zhou Lu#, Yang Wenting, Wang Lijun, Liu Xuehua, Gong Yingchun, Hu Qiang and Wang Guangce*. Overexpression of a novel gene (Pt2015) endows the commercial diatom Phaeodactylum tricornutum high lipid content and grazing resistance. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 2022, 15:131, 1-19 

  https://doi.org/10.1186/s13068-022-02221-y 

  Yang Wenting, Zhou Lu, Wang Jing, Wang Lijun, Gao Shan*, Wang Guangce* Knockout of a diatom cryptochrome by CRISPR/Cas9 causes an increase in light-harvesting protein levels and accumulation of fucoxanthin. Algal Research, 2022, 66,102822. 

  https://doi.org/10.1016/j.algal.2022.102822 

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