光照与磷酸盐调控海岸硅藻PUFA与PUA生产的转化机制与生物技术潜力研究

本研究针对气候变化下生物活性化合物可持续生产的迫切需求，探讨了海岸硅藻中多不饱和脂肪酸（PUFA）及其衍生物多不饱和醛（PUA）的生产调控问题。通过设计不同光照和磷酸盐条件培养三种硅藻（Thalassiosira minima、Skeletonema pseudocostatum和Cyclotella cryptica），引入转化率（TR）指标量化PUFA向PUA的转化程度，发现C. cryptica在低磷酸盐和冷白光条件下PUFA产量最高（1181.81 fmol cell?1），而S. pseudocostatum在高磷酸盐和冷白光下TR最低。研究为硅藻在生物能源、医药和水产养殖领域的应用提供了优化培养策略和筛选标准。

　　

随着全球气候变化加剧和资源可持续性问题的日益突出，微藻生物技术成为解决食品、能源和医药领域挑战的新兴方向。硅藻作为一类广泛分布的真核浮游植物，不仅贡献了全球至少20%的二氧化碳同化量，还能合成多种高价值生物活性化合物，如多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acids, PUFA）。PUFA在人体健康、水产饲料和生物燃料等领域具有重要作用。然而，部分硅藻种类中的PUFA会通过酶促反应转化为多不饱和醛（Polyunsaturated Aldehydes, PUA），这一转化过程可能降低PUFA的生物可利用性，从而限制其生物技术潜力。尽管PUA在生态系统中具有信号传导和藻类间相互作用的功能，但其产生是否会显著影响PUFA的积累与应用潜力，仍缺乏系统评估。此外，环境因素如光照和营养盐可用性如何调控这一转化过程，也亟待深入探索。为此，研究人员选择三种常见海岸硅藻，通过调控培养条件，量化PUFA与PUA的生产动态，为相关应用提供理论依据和技术支持。该研究发表于《Algal Research》，为微藻资源的高值化利用提供了重要参考。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究。首先，选用了三种海岸硅藻物种（Thalassiosira minima、Skeletonema pseudocostatum和Cyclotella cryptica），这些藻株采集自西班牙加的斯湾大西洋海岸区域，并通过PCR技术进行物种鉴定。培养实验在严格控制的光照和磷酸盐条件下进行，设置了高磷酸盐（P⁺）和低磷酸盐（P^?）条件，并结合不同光质（冷白光L1和暖白光L2）与光周期（14:10光暗循环与连续光照L3）。细胞密度和生长速率通过图像流式细胞术（Image Flow Cytometry, IFC）和叶绿素a荧光测量进行量化。光合参数如最大光系统II量子产量（Fv/fm）和相对电子传输速率（rETR）使用脉冲调制荧光仪（Phyto-PAM）测定。PUFA的分析通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）进行脂肪酸甲酯（FAME）的定性与定量；PUA（包括颗粒态pPUA和溶解态dPUA）的提取与量化则采用衍生化试剂PFBHA处理并结合GC-MS分析。转化率（TR）计算为PUA与PUFA前体（C16:3、C16:4、ARA和EPA）的百分比。数据统计分析使用R软件完成，包括ANOVA和Tukey检验。

3. 结果与讨论

脂肪酸谱与物种差异

在P⁺L1条件下，三种硅藻的脂肪酸组成存在显著差异。T. minima和S. pseudocostatum的饱和脂肪酸（SFA）比例较高（35–67%），而C. cryptica的多不饱和脂肪酸（PUFA）比例最高（45%）。C. cryptica在指数生长期和稳定期均以C16:3和EPA为主要PUFA，且其总FAME浓度最高（190.84 fmol cell^?1），远高于T. minima（7.49 fmol cell^?1）。这一结果表明，C. cryptica具有更高的PUFA积累潜力，适合作为PUFA生产的候选物种。

光合生理状态

所有物种在P⁺L1条件下均表现出最佳光合生理状态，活性叶绿素a百分比（%AChl）高于70%，最大光系统II量子产量（Fv/fm）大于0.50，且未出现光抑制现象。这表明实验条件下的细胞处于光化学非应激状态，为后续代谢分析提供了可靠基础。

PUA生产与转化率（TR）

在P⁺L1条件下，C. cryptica的PUFA浓度最高，而TR最低（0.01–0.13%），意味着其PUFA向PUA的转化程度极低。相比之下，S. pseudocostatum的TR在指数生长期最高（2.30%），但pPUA绝对产量较低。T. minima表现出中等的TR和较高的dPUA释放比例。综合认为，C. cryptica在维持高PUFA可用性的同时，有效抑制了PUA转化，具备更优的生物技术潜力。

光照与磷酸盐的调控效应

在S. pseudocostatum中，暖白光（L2）显著提高了总PUFA浓度（最高67.99 fmol cell^?1）并降低了TR（<0.1%），但同时导致细胞生理状态恶化（%AChl降至5.69%，Fv/fm降至0.13）。低磷酸盐条件（P^?L2）进一步加剧了PUA生产，TR升至21.93%，但PUFA浓度大幅下降。连续光照（L3）虽促进生长，却降低了PUFA比例并引发光抑制。这些结果表明，尽管某些条件可增强PUFA积累，但需权衡细胞生理健康。

对于C. cryptica，低磷酸盐与冷白光条件（P^?L1）实现了最高PUFA产量（1181.81 fmol cell^?1）和最低TR（0.003%），同时保持了较好的光合效率。暖白光（L2）虽促进生长，但导致PUFA比例下降和光抑制现象。这表明C. cryptica对光质的敏感性高于磷酸盐可用性，其代谢调控策略更倾向于能量存储而非结构脂质合成。

4. 结论

本研究通过引入转化率（TR）指标，系统评估了三种海岸硅藻在不同光照和磷酸盐条件下的PUFA与PUA生产动态。结果表明：

• •
  C. cryptica是最具潜力的PUFA生产物种，尤其在低磷酸盐和冷白光条件下（P^?L1），其PUFA产量达到最高水平且TR极低；
• •
  S. pseudocostatum在高磷酸盐和冷白光下（P⁺L1）可实现低TR和可接受的PUFA产量，但需避免应激条件以防生理状态恶化；
• •
  光照条件（光质与光周期）对脂肪酸组成和细胞生理的影响显著，且物种间存在特异性响应。

该研究不仅为硅藻生物技术应用提供了可靠的筛选标准和培养策略，还强调了环境因子在代谢调控中的关键作用。未来工作可进一步探索分子机制，如酶促转化途径与基因表达调控，以优化硅藻株系用于规模化生产。