氮饥饿与生物量特异性光子供应率对海洋微藻生理生化及形态响应的调控机制研究

本研究针对微藻生物技术应用中氮饥饿与光照条件调控的关键科学问题，通过两阶段培养策略系统比较了Nannochloropsis oceanica与Microchloropsis gaditana在9和18 μmolphoton gdw-1 s-1 BSPSR（生物量特异性光子供应率）下的生理、生化及超微结构响应。研究发现N. oceanica在低BSPSR下表现出更高的生物量（0.62 g L-1 day-1）和脂肪酸产率（0.35 g L-1 day-1），而M. gaditana则维持更高的量子产率（0.46）和EPA含量（35.36 mgEPA gdw-1），揭示了两种微藻在碳分配和光适应策略上的种属特异性差异，为定向选育能源微藻（N. oceanica）和EPA生产菌株（M. gaditana）提供了理论依据。

　　

在应对气候变化和能源转型的双重挑战下，微藻因其卓越的碳固定能力和高价值代謝产物的合成潜力，成为生物技术领域的明星生物。然而，如何通过环境调控实现微藻代谢产物的定向富集，仍是制约产业化的关键瓶颈。其中，氮饥饿与光照条件的协同效应尤为关键——前者能触发储能化合物积累，后者则直接影响光合能量分配，但二者的交互作用机制及其种属特异性差异长期缺乏系统研究。

针对这一科学问题，荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University, WUR）的研究团队在《Journal of Applied Phycology》发表了创新性成果。研究人员选取具有工业应用潜力的两种海洋微藻——以高产脂质著称的Nannochloropsis oceanica和以富含EPA闻名的Microchloropsis gaditana，通过精确控制生物量特异性光子供应率（BSPSR），首次在模拟户外光照条件的光生物反应器中，揭示了氮饥饿下光-生物量比值对细胞代谢网络的全方位调控规律。

研究采用了两大关键技术：1）光生物反应器动态培养系统，通过调节初始生物量浓度（4或2 g L^-1）实现9与18 μmol_photon g_dw^-1 s^-1的BSPSR精确控制；2）多组学联用分析，结合生理参数（生物量产率、F_v/F_m量子产率）、生化组分（TAG/EPA含量）与透射电镜超微结构观察，构建了从代谢表型到细胞器重塑的全景响应图谱。

生理生化响应
在氮充足阶段，N. oceanica展现出生长优势（μ=0.28 day^-1），其生物量产率（0.84 g L^-1 day^-1）较M. gaditana高15%。转入氮饥饿后，低BSPSR（9 μmol_photon g_dw^-1 s^-1）下N. oceanica的脂肪酸产率达0.35 g L^-1 day^-1，是M. gaditana的4倍，而后者在相同条件下维持更高量子产率（0.46 vs 0.42）和EPA含量（35.36 vs 31.34 mg_EPA g_dw^-1）。高BSPSR（18 μmol_photon g_dw^-1 s^-1）加剧了叶绿素降解，N. oceanica叶绿素含量暴跌至0.71 mg g_dw^-1，但TAG含量反升至0.37 g g_dw^-1，揭示光胁迫与氮饥饿存在协同增效。

超微结构重塑
电镜观测显示，N. oceanica在氮饥饿下形成直径更大的脂滴（

），同时伴随叶绿体片层结构瓦解；M. gaditana则保留更多类囊体膜结构，其特有的细胞壁纤维层（

）可能构成物理屏障减轻光损伤。

这项研究首次阐明了BSPSR作为关键调控杠杆，通过影响叶绿体自噬（如多层囊泡形成）和碳流再分配，驱动微藻在“生长-抗逆-产物积累”三者间的策略权衡。N. oceanica的“高产脂质模式”与M. gaditana的“EPA守护模式”为不同应用场景（生物柴油vs功能性食品）的菌株选育提供了明确指导。更深远的意义在于，研究提出的BSPSR标准化方法，克服了传统光照强度指标在稠密培养中的局限性，为规模化培养的工艺优化建立了新范式。正如作者Omnia H. Abdelkarim强调的，这项成果“不仅揭示了应激响应的种属特异性机制，更开辟了通过光-生物量协同调控实现微藻精准培育的新路径”。