高镍胁迫下极端嗜热红微藻Cyanidioschyzon merolae的适应性实验室进化：脂质增产与氧化损伤缓解机制解析

研究人员通过适应性实验室进化（ALE）培育出耐受10 mM镍胁迫的Cyanidioschyzon merolae突变株10NiLAD，其脂质产量提升1.5倍，饱和脂肪酸含量增加，SOD活性增强使ROS水平降低，同时保持197 mg g?1 的c-藻蓝蛋白产量，为极端环境生物修复与高值产物联产提供新策略。

　　

在酸性温泉、重金属污染区等极端环境中，一种名为Cyanidioschyzon merolae的红藻展现出惊人的生存能力。这种单细胞藻类不仅能耐受56℃高温和pH 0.02的强酸环境，还进化出独特的重金属应对机制。然而当环境镍（Ni）浓度超过3 mM时，即使是这种"极端环境冠军"也会遭遇光合系统损伤、氧化应激爆发等致命威胁。随着工业废水导致的镍污染日益严重，科学家开始思考：能否通过人工加速进化，创造出耐受更高镍浓度的"超级藻株"？这不仅关乎环境污染治理，更可能解锁微藻在生物能源和高值化合物生产中的新潜能。

来自波兰科学院植物生理研究所的Joanna Kargul团队在《Bioresource Technology》发表突破性研究。他们采用阶梯式镍浓度递增的适应性实验室进化（ALE）策略，历时15天×10代筛选，成功获得耐受10 mM镍的10NiLAD突变株。该研究整合了脉冲振幅调制荧光技术（Dual-PAM）分析光合性能、气相色谱-质谱（GC-MS）解析脂肪酸谱、BODIPY荧光标记脂滴、三维电子显微镜（SBFSEM）重构细胞超微结构等关键技术，系统揭示了突变株的代谢重塑机制。

在生长特性方面，10NiLAD在10 mM镍环境下保持与野生型（WT）相当的生长速率（OD₇₅₀
=1.76），存活率达98.8%。元素分析显示其通过细胞表面吸附而非胞内积累处理镍（15.37 mg g^?1
干重），经简单洗涤即可去除95%的镍，具备工业化应用潜力。

脂代谢重塑是最显著的特征。通过GC-MS检测发现突变株饱和脂肪酸（SFA）比例显著增加，尤其是硬脂酸（18:0）含量翻倍（7.93% vs 3.54%），而多不饱和脂肪酸（PUFA）如亚油酸（18:2n-6）减少。BODIPY荧光成像显示脂滴（LDs）数量增加1.5倍，三维电镜揭示微体（MB）面积扩大，共同构成抵御脂质过氧化的"分子盾牌"。

能量代谢分析呈现有趣悖论：虽然PSII有效量子产率Y(II)降低5%，但净光合放氧量无差异，暗示光合单元数量补偿；同时黑暗呼吸下降28%却维持ATP水平（~40 nmol/10⁸
细胞），体现碳流向脂质储存的代谢重构。

在氧化防御方面，10NiLAD的SOD活性提升40%而CAT不变，使ROS水平与WT相当。这与转录组数据中线粒体sod基因上调、cat基因下调的发现吻合，说明超氧化物歧化酶是镍适应的关键"抗氧化卫士"。

产业价值亮点在于突变株保持197 mg g^?1
的c-藻蓝蛋白（c-PC）产量，纯度比达0.99（试剂级）。结合其无细胞壁特性，可实现低成本一步法提取，相较传统原料Arthrospira platensis（44 mg g^?1
，纯度0.34）具有显著优势。

这项研究首次证明ALE技术可使微藻耐受超过自然栖息地65倍的镍浓度，同时实现脂质增产与氧化应激缓解的"双赢"。10NiLAD株的三大特性——高效镍吸附、高附加值产物联产、极端环境耐受性，为重金属污染治理与循环经济提供了创新解决方案。未来研究将聚焦其基因组进化机制及在工业废水处理中的规模化应用。