蛋白核小球藻RLXCh3染色体级别基因组图谱破译：为可持续蛋白生产与营养强化提供新资源

《Scientific Data》：Chromosome-level genome assembly for an edible protein microalgae Auxenochlorella pyrenoidosa

本期推荐研究人员针对微藻高价值代谢物分子育种缺乏高质量基因组资源的问题，开展了可食用蛋白微藻蛋白核小球藻（Auxenochlorella pyrenoidosa）染色体级别基因组组装研究。该研究综合利用PacBio HiFi、Hi-C及全长转录组测序技术，成功构建了包含12条染色体、大小为53.07 Mbp的高质量基因组图谱，注释到12,091个蛋白编码基因。该基因组资源将显著促进微藻蛋白生物合成及营养强化的分子育种进程。

　　

随着全球人口预计在2050年达到97亿，人类对膳食蛋白的需求将比2017年增长32-78%。然而，传统农业蛋白生产方式面临土地资源消耗大、环境污染严重及人畜共患病风险三大挑战。在这种背景下，探索高质量蛋白合成新路径替代传统的"大豆蛋白、禽蛋白和牲畜蛋白"变得尤为迫切。微藻作为一种潜在的新型蛋白来源，正受到越来越多科学家的关注。

在众多微藻品种中，蛋白核小球藻（Auxenochlorella pyrenoidosa）因其高蛋白含量、全面的氨基酸组成和成本效益而备受青睐。早在20世纪60年代，它已被大规模用于商业食品和饲料生产，并于2012年被中国国家卫生健康委员会列为新食品资源。除了丰富的蛋白质，该微藻还含有类胡萝卜素、脂质、多糖、维生素等多种营养成分，具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、抗菌和免疫增强等多种生物活性。

然而，尽管蛋白核小球藻具有如此巨大的应用潜力，科学家们对其高价值代谢物和营养生长的分子机制了解仍然有限，这主要归因于基因组资源的缺乏。此前，Fan等人利用Roche 454测序系统获得了蛋白核小球藻FACHB-9的基因组草图，该组装大小为56.6 Mbp，包含10,284个蛋白编码基因。但由于基因组资源有限，分子强化技术的发展受到了制约。

为了突破这一瓶颈，中国农业科学院都市农业研究所的罗秀梅研究员团队开展了一项开创性研究，成功完成了蛋白核小球藻RLXCh3的染色体级别基因组组装。该研究发表在《Scientific Data》期刊上，为微藻蛋白生物生产和营养强化提供了宝贵的基因组资源。

研究人员采用多项关键技术完成了这一研究。首先，他们从全国各地采集土壤和水样，通过梯度稀释和单克隆纯化技术分离得到1000多株微藻，其中43株被鉴定为小球藻属物种。通过营养成分分析，他们发现命名为J3（后续保藏为RLXCh3）的菌株蛋白含量高达63.65 g/100g（干重），显著高于标准商业菌株FACHB-9（46.54 g/100g）。该菌株还含有全部必需和非必需氨基酸，总氨基酸含量达到303.96 g/100g。

在基因组测序和组装方面，研究团队使用PacBio Sequel II系统进行HiFi测序（50×覆盖度），利用hifiasm软件进行初步组装，并通过Racon和Pilon进行错误校正。同时，他们进行Hi-C测序（100×覆盖度），使用LACHESIS将重叠群连接成染色体级别序列。此外，还进行了全长转录组测序以辅助基因注释。

基因组组装结果显示，研究成功构建了包含12条染色体的高质量基因组图谱，总长度为53.07 Mbp，其中99.45%的序列被定位到染色体上。染色体长度从2.02 Mb（Chr12）到6.59 Mb（Chr1）不等。组装质量指标表现优异：重叠群N50为1.74 Mb，支架N50为4.94 Mb，最长支架为6.59 Mb。基因组的GC含量为67%，属于较高水平。

基因注释分析共预测到12,091个蛋白编码基因，总长度为17.41 Mb。此外，还鉴定出63个tRNA、6个18s rRNA和7个28s rRNA。特别值得注意的是，基因组中转座元件含量仅为0.1058%，重复序列长度为0.81 Mb。

功能注释分析揭示了RLXCh3基因组的代谢潜力。通过KOG（直系同源蛋白簇）数据库分类，2028个功能基因被归类，其中大多数与翻译后修饰、蛋白周转、分子伴侣（296个）相关，其次是翻译、核糖体结构和生物发生（233个），氨基酸转运和代谢（147个），能量产生和转换（138个），碳水化合物转运和代谢（133个）。KEGG（京都基因与基因组百科全书）通路分析显示，2761个功能基因注释到369条不同的通路图中，主要涉及次级代谢物生物合成（349个）、抗生素生物合成（244个）、多样环境中的微生物代谢（222个）、碳代谢（146个）、氨基酸生物合成（126个）和核糖体（112个）。

特别值得关注的是，研究发现了8个细胞色素P450（CYP450）基因和181个碳水化合物活性酶（CAZymes），包括33个碳水化合物结合模块、4个碳水化合物酯酶、71个糖苷水解酶、64个糖基转移酶和9个辅助活性酶，这些酶在复杂碳水化合物代谢中起着重要作用。然而，通过AntiSMASH分析未预测到次级代谢物基因簇。

该研究的成功完成具有重要科学意义和应用价值。首先，这是首个蛋白核小球藻染色体级别基因组图谱的报道，为这种重要经济微藻的分子生物学研究奠定了坚实基础。高质量的基因组组装使得科学家能够深入探究与淀粉代谢、脂肪酸和甘油脂代谢、类胡萝卜素生物合成、光合生物碳固定、叶绿素代谢、硒化合物代谢和TOR信号通路相关的关键基因。

更重要的是，这项研究为微藻分子育种提供了宝贵资源。通过基因组信息，研究人员可以有针对性地开发分子强化技术，培育具有更高价值代谢物含量的新型蛋白核小球藻菌株。预计在不久的将来，这些基因组资源将显著促进微藻蛋白生物生产和营养强化进程，为可持续蛋白供应提供新的解决方案。

从更广阔的角度看，这项研究符合联合国可持续发展目标（SDGs）中第二项（零饥饿）、第三项（良好健康与福祉）和第十项（减少不平等）的要求。通过开发微藻这种高效的蛋白生产系统，我们有望减轻传统农业对土地资源的压力，减少环境污染，同时为全球人口提供高质量蛋白来源。

研究团队将RLXCh3菌株保藏于中国典型培养物保藏中心（CCTCC NO: M 2022648），所有基因组和转录组数据均已公开，为全球研究界提供了宝贵资源。随着对这些基因组资源的深入挖掘，我们有理由相信，蛋白核小球藻将在未来食品和饲料领域发挥更加重要的作用，为应对全球粮食安全挑战贡献中国智慧。