调控叶黄素循环提升微拟球藻生物量生产力与光耐受性的创新研究

为解决微藻在光生物反应器中因自遮蔽和快速光强变化导致的光合效率下降问题，研究人员通过基因调控叶黄素循环(XC)关键酶VDE和ZEP的表达，显著加速了微拟球藻(Nannochloropsis oceanica)的XC动力学。研究发现，双过表达株系(Z1-V-OE)在不同光生物反应器系统和光照条件下均表现出最优的生物量生产力提升(最高达15%)，同时增强了对高强度光照(2000 μmolphotons m?2 s?1)的耐受性。该研究为工业规模微藻培养的光合效率优化提供了新策略。

　　

在追求可持续生物能源和生物制品的过程中，微藻因其高效的光合作用能力和对非耕地的适应性成为研究热点。然而，工业规模的光生物反应器(PBR)培养面临一个根本性矛盾：高密度培养导致的自遮蔽现象形成光梯度，而混合搅拌又使细胞在毫秒级时间尺度上经历从黑暗到强光的剧烈波动。这种"闪光效应"导致光合机构过度激发引发光损伤，或使光保护机制在转入暗区后仍持续耗能，最终造成生物量生产力下降。

针对这一瓶颈问题，国外研究团队以海水微藻微拟球藻(Nannochloropsis oceanica)为模型，聚焦于其核心光保护机制——叶黄素循环(Xanthophyll Cycle, XC)。该循环通过紫黄质(Vx)与玉米黄质(Zx)的相互转化调节光捕获与耗散，其关键调控酶紫黄质脱环氧化酶(VDE)和玉米黄质环氧化酶(ZEP)的表达水平直接影响XC动力学。研究人员创新性地构建了VDE单过表达(VDE-OE)、ZEP1单过表达(ZEP1-OE)和双过表达(Z1-V-OE)株系，在管式和平板式两种PBR系统中系统评估了不同光照强度(300-2000 μmol_photons m^?2 s^?1)下的表型特征。

研究采用半连续培养结合光度计调控技术监测生物量积累，通过HPLC分析色素组成，利用双通道PAM-100荧光仪测定非光化学淬灭(NPQ)动力学，并借助氧电极测量光合放氧活性。特别值得注意的是，实验设置了渐进式光适应程序以避免光休克反应，并通过 luminostat 模式精确控制培养密度与光吸收的关系。

3.1 实验室规模管式光生物反应器中的生长分析

在400 μmol_photons m^?2 s^?1光照下，所有株系生物量生产力相当(约0.4 g_biomass L^?1 d^?1)。当光强提升至800 μmol_photons m^?2 s^?1时，Z1-V-OE株系表现出11.4%的显著增产优势，而单过表达株系与野生型无差异。极端光照(2000 μmol_photons m^?2 s^?1)下，野生型和ZEP1-OE无法存活，但VDE-OE和Z1-V-OE仍保持生长，后者生物量生产力比前者高14.5%。色素分析显示高光条件下存活株系通过降低叶绿素/类胡萝卜素比值增强光保护，且Z1-V-OE的玉米黄质积累量(24%)显著高于野生型(6%)。

3.2 光生物反应器几何形状对生物量生产力的影响

在平板式PBR的300 μmol_photons m^?2 s^?1条件下，Z1-V-OE较野生型增产12.1%，而VDE-OE因过度耗能导致生产力下降86%。当光强升至1200 μmol_photons m^?2 s^?1时，仅VDE-OE能存活并实现2.31 g_biomass L^?1 d^?1的创纪录生产力，此时其玉米黄质含量达18%，而崩溃的Z1-V-OE仅积累7.7%。这种系统依赖性表型差异揭示：管式PBR中更均匀的光分布使双过表达株系优势凸显，而平板PBR的极端光梯度需要更强的光保护能力。

4.3 全面加速叶黄素循环带来最大生产力提升

综合结果表明，单独加速XC激活(VDE-OE)虽增强光耐受性但可能导致低光下能量浪费；仅加速XC松弛(ZEP1-OE)虽提高光合效率但削弱光保护。而双过表达策略通过平衡VDE和ZEP1的活性，使XC整体动力学加速，在多数条件下实现最优生产力提升。在管式PBR中，Z1-V-OE的增产优势源于更快的状态转换能力；而在极端光照的平板PBR中，VDE-OE则凭借强大的Zx积累(32%)成为唯一存活株系。

该研究发表于《Algal Research》，首次系统论证了XC动力学调控对工业微藻培养的决定性影响。其重要意义在于：为不同PBR系统提供了定制化改造策略——管式系统适用双过表达株系以应对适度波动，而高光强平板系统则需要强化VDE表达。研究还揭示了微藻光适应反应的系统依赖性，指出未来藻株改良必须结合具体培养工艺进行优化。这些发现不仅为微藻生物技术提供了新工具，也为理解光合生物的生态适应性进化提供了新视角。