生物结壳源产油微藻Vischeria sp. WL1响应氮缺失与恢复的基因组与转录组学解析

本研究针对微藻在氮胁迫下脂质积累与代谢调控机制不明的科学问题，通过整合基因组测序与多时间点转录组分析，揭示了嗜氮微藻Vischeria sp. WL1的127 Mb高质量基因组特征及其17,392个编码基因。研究发现硝酸盐同化基因簇的协同表达模式，鉴定了脂肪酸合成(ACCase、KAS等)与三酰甘油代谢(DGAT/PDAT)关键基因的快速响应机制，并通过转基因蓝藻实验验证了候选基因在氮恢复过程中对叶绿素合成的调控作用。该成果为微藻生物燃料的定向培育提供了分子靶点，发表于《Synthetic and Systems Biotechnology》。

　　

在应对全球能源危机与碳中和目标的背景下，微藻因其高效光合固碳和脂质积累能力成为生物燃料的理想候选。然而，氮营养匮乏虽能诱导微藻脂质富集，却会显著抑制其生长，这一矛盾制约着规模化应用。更关键的是，不同微藻物种对氮胁迫的响应机制存在显著差异，而目前对极端环境适应型产油微藻的分子机制认识仍不完善。

中国科学院团队聚焦于从中国西北干旱区生物结壳中分离的嗜油微藻Vischeria sp. WL1，该菌株展现出长达180天的氮饥饿耐受性和快速氮恢复能力，其细胞内C16:1和C20:5脂肪酸含量分别高达50%和10%。为解析其独特表型背后的分子基础，研究人员采用牛津纳米孔长读长测序结合Illumina短读长校正，获得127 Mb核基因组（N50 1.08 Mb）；通过比较基因组学与多时间点转录组（0-24小时氮缺失/恢复）分析，结合转基因蓝藻功能验证，系统揭示了该菌株的氮代谢与脂质合成调控网络。

关键技术包括：1) Nanopore PromethION平台完成基因组测序（107X覆盖度），经NextDenovo组装和Nextpolish抛光；2) 基于PASA、GeMoMa和Augustus的基因模型预测；3) 氮胁迫实验设计（BG11₀
培养基处理）；4) 转基因Synechocystis sp. PCC 6803构建（通过pUC57载体在slr0168位点整合目标基因）。

3.1 氮胁迫适应性特征
研究发现WL1在1 mM NaNO₃
补充3天后，细胞氮含量从0.83%恢复至2.93%，C/N比从76.6降至20.5，证实其高效的氮同化能力。透射电镜显示氮饥饿细胞中脂滴显著积累（图1A），与前期报道的50%含油量表型一致。

3.2 基因组特征
127 Mb基因组包含47.16%重复序列和17,392个蛋白编码基因（平均8个外显子/基因），BUSCO完整性达84%。比较基因组学显示，WL1与Vischeria sp. C74共线性最高（65.5%），但与Nannochloropsis（31.1%同源）存在显著分化（图2B）。

3.4 氮代谢通路进化
独特发现是硝酸盐转运体(NRT2)、硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)基因在WL1基因组中形成物理簇（图4A），其表达高度协同（相关系数0.92-0.99）。值得注意的是，WL1具有双拷贝NR基因，不同于单拷贝的典型真核微藻。

3.5 脂质合成动态调控
转录组聚类揭示：氮缺失3小时内，脂代谢相关基因（如ACCase、KAS）显著上调，而氮化合物合成基因下调（图3B）。线粒体脂肪酸合成途径基因的鉴定（如HSD17B8、HTD2）拓展了对微藻脂质合成场所的认知（图5B）。DGAT1A和PDAT1的表达波动提示其在TAG组成调控中的特异性作用。

3.6 功能验证
在Synechocystis中异源表达候选基因R7（类nirA）、N171（功能未知）和N186（类moaA）后，转基因株在氮恢复条件下叶绿素a含量较野生型提高1.5-2倍（图6C），证实这些基因参与氮同化与色素重建。

该研究首次绘制了耐氮微藻Vischeria sp. WL1的高质量基因组图谱，阐明其通过硝酸盐同化基因簇协同表达、双拷贝NR基因保留等独特机制实现氮高效利用。发现脂质合成途径的快速转录重编程（24小时内）为理解微藻"碳-氮再平衡"提供了新视角。转基因实验验证的氮响应基因为合成生物学改造提供了分子元件，对开发"低氮高脂"微藻培育策略具有重要指导意义。研究成果不仅丰富了极端环境微生物适应性进化理论，也为微藻生物燃料的产业化推进奠定了分子基础。