转录组+代谢组——功能机制研究好搭档

【字体: 时间:2019年06月17日 来源:派森诺生物

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  派森诺生物与青岛生物能源研究所携手合作,在《Biotechnology for Biofuels》上发表了小型黄丝藻作为生物能源的中枢碳代谢和脂质生物合成的相关研究成果,影响因子5.497。

  

文章题目:Mechanism and enhancement of lipid accumulation in flamentous oleaginous microalgae Tribonema minus under heterotrophic condition
发表期刊:Biotechnology for Biofuels
技术手段:RNA-Seq和代谢LC-MS

派森诺生物与青岛生物能源研究所携手合作,在《Biotechnology for Biofuels》上发表了小型黄丝藻作为生物能源的中枢碳代谢和脂质生物合成的相关研究成果,影响因子5.497。

研究背景

微藻被认为是液体生物燃料生产的有希望的候选对象,研究发现Tribonema sp.(黄丝藻)在光自养条件下能大量积累脂质,还能够利用葡萄糖作为碳源,是生物柴油生产的最佳油源微藻之一。但异养模式会明显降低脂质含量,因此,确定脂质积累和发育的机制是十分必要的。测定光自养和异养生长之间代谢途径的差异,将为改善异养细胞的脂质积累提供目标和策略。

研究方法

比较光自养和异养培养小型黄丝藻细胞的生长、生化成分、转录组和代谢组学特征,研究其代谢差异。在比较转录组学和代谢组学研究的基础上,建立了一个在光自养和异养生长条件下中枢碳代谢和脂质生物合成途径变化的模型。此外,还分析了外源关键代谢中间体的补充对异养培养中脂质积累的具体影响。

研究结果

1.光自养和异养条件下小型黄丝藻的生长及生化成分积累的比较

小型黄丝藻细胞在生物反应器进行光自养和异养条件培养,统计分析随培养时间增长黄丝藻的生物干重以及脂质、蛋白质、碳水化合物占干重的百分比。统计结果表明,在光自养条件下,碳水化合物的生物合成大大降低。作者还测量了在不同生长阶段的小型黄丝藻细胞的色素浓度,以评估不同培养模式的影响。


图1 小型黄丝藻在光自养和异养条件下的生长和生化组成积累

2.RNA-seq及碳代谢和脂质生物合成相关基因表达的差异

为了鉴定脂质积累期间发生的转录组学变化,使用光合自养和异养培养物的样品进行RNA-seq分析。转录组拼接产生了58,211个转录本,并对获得转录本进行NR蛋白质数据库注释(图2a)和基因本体论(GO)注释统计(图2b)。差异分析结果表明,与光合自养细胞相比,异养细胞中有1032个上调基因和1442个下调基因。在这些基因中,进一步分析了与碳代谢和脂肪酸和三酰基甘油生物合成相关的差异表达的基因(DEG)及参与的生化途径。结果揭示了异养细胞中强烈上调的基因参与糖原异生和TCA循环,而参与糖酵解,丙酮酸代谢和脂肪酸生物合成的基因被下调。此外,这些数据还揭示了补充碳前体对于在异养条件下小型黄丝藻细胞增加脂质积累的重要性。


图2 RNA-seq 转录本的NR数据库和GO数据库注释统计

3. 光自养和异养条件下小型黄丝藻的代谢组学分析

通过LC-MS检测所有样品中存在的总共216种一级和二级藻类细胞内代谢物。随后,作者构建了传统的主坐标分析(OPLS-DA)模型,以研究代谢物水平与培养条件之间的相关性。模型结果显示,两个模型在两组之间的(X轴)方向上显示出明显的簇,表明异养培养是造成代谢谱之间的大部分差异的原因(图3a)。PLS-DA模型的相应加载图,鉴定负责观察到的分离的代谢物(图3b)。不同培养模式显著地影响34种鉴定到的代谢物(13种氨基酸,2种糖,7种脂质和12种其他物质)。


图3 光自养和异养条件下小型黄丝藻的代谢产物的PCA分析

4. 异养条件下转录组和代谢组的变化

基于转录组学,代谢物分析和生化数据,作者提出了在异养条件下脂质生物合成的简化碳前体方案(图4)。该方案合理清楚地显示了从葡萄糖到不同代谢途径的碳前体的流程,主要是糖酵解/糖异生途径,TCA循环和脂肪酸生物合成。 简言之,参与糖酵解,脂肪酸和TAG生物合成的关键酶被下调,而涉及糖异生的关键酶在异养条件下被上调。尽管异养条件下的大多数关键代谢物与光合自养条件下的代谢物没有显着差异,但代谢组学数据显示,参与糖酵解/糖异生的两种关键代谢物的水平升高,而参与TCA循环和脂肪酸生物合成的几种代谢物呈现低丰度。


图4 小型黄丝藻的中枢碳代谢通路调控模型及和脂质生物合成方案

5. 异养条件下潜在代谢物对生物量和脂质积累的影响

为了确定代谢物标志物是否会增加小型黄丝藻体内脂质的积累,根据转录组学和代谢组学分析,以不同浓度提供六种潜在代谢物(半乳糖醇,甘露醇,N-甲基酪胺,柠檬酸盐,琥珀酸盐和棕榈酸钾)进行了分析。比如图5a,b显示了在异养条件下补充2种糖(甘露醇和卫矛醇)对小型黄丝藻的生物量和脂质积累的影响。甘露醇补充剂不会引起异养培养物中小型黄丝藻的生长和脂质积累的显着变化。如图5c表明随着N-甲基酪胺浓度的增加小型黄丝藻的生物量和脂质积累略有增加,而图5e表明棕榈酸钾是一个有效的触发器,促进异养培养下小型黄丝藻细胞内脂肪积累。


图5 六种潜在代谢物标记物对异养条件下小型黄丝藻的生物量和脂质积累的影响

结论

小型黄丝藻细胞中,碳前体供应不足导致异养培养过程中脂质积累水平较低。根据代谢组学数据,适当补充碳代谢物可促进脂质积累。此外,还通过组学分析确定了基因调控代谢靶点。

原文索引

Wang H , Zhang Y , Zhou W , et al. Mechanism and enhancement of lipid accumulation in filamentous oleaginous microalgae Tribonema minus under heterotrophic condition[J]. Biotechnology for Biofuels, 2018, 11(1).

文章链接:
https://doi.org/10.1186/s13068-018-1329-z

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