蓝光与氮限制对Tetradesmus obliquus FACHB-14生长过程中脂质代谢的协同作用：通过光谱薄膜调制技术进行研究

《Biochemical Engineering Journal》：Synergistic effects of blue light and nitrogen limitation on lipid metabolism in Tetradesmus obliquus FACHB-14 growth via spectral film modulation

微藻Tetradesmus obliquus通过两阶段培养结合光质调控策略优化氮磷互作，研究显示低氮（50 mg·L?1）与蓝光（蓝色素掺杂PE膜）协同显著提升脂质含量（59.77%），并改变光合碳固定、脂肪酸合成等代谢通路，为 scalable微藻培养提供新方法。

　　

王明|刘国琴|朱文曦|康瑞云|魏群|马向萌

广西大学资源环境与材料学院，中国广西南宁大学路100号，530004

摘要

微藻已成为生物柴油生产的有希望的原料。然而，生物质积累与脂质合成之间的权衡仍然是一个关键挑战。本研究采用了一种波长转换策略，利用掺有色素的聚乙烯（PE）光谱调制膜来优化光照质量，并结合两阶段培养策略，探讨了光照质量和氮供应对Tetradesmus obliquus FACHB-14的生长、脂质积累、脂肪酸组成和代谢机制的相互作用。在生长阶段，250 mg·L^-1的氮浓度和红色色素掺杂的PE膜产生了最高的生物质浓度（1.53 g·L^-1）。在脂质诱导阶段，50 mg·L^-1的氮浓度和蓝色色素掺杂的PE膜显著提高了脂质含量59.77%，使饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸的比例上升到79.61%，并增强了抗氧化防御能力。转录组分析显示，通过色素掺杂的PE膜提供的低氮和蓝光的相互作用显著改变了微藻细胞中的关键代谢途径，包括光合作用碳固定、黄酮类生物合成、氮代谢和脂肪酸延长。总体而言，这些变化将碳流从蛋白质合成重新导向脂质积累，同时保持了高效的氮利用。此外，使用这种低成本的、可调节光谱的PE膜来调节光照质量为大规模微藻培养提供了一种可扩展且经济可行的策略。

引言

不断增长的全球能源需求和环境挑战要求开发可再生的清洁能源[1]。在各种生物资源中，微藻相比陆地作物具有明显的优势，包括快速生长、高光合效率、显著的CO₂固定能力，以及不会与粮食作物竞争耕地[2],[3]。重要的是，许多微藻能够积累大量的富含能量的中性脂质。脂质含量通常占干细胞重量的20%到60%，其生产力可能是传统油作物的15至300倍，这使得微藻成为生物柴油生产的高产原料[4],[5],[6]。Tetradesmus obliquus (T. obliquus)由于其环境适应性、强大的脂质合成能力和代谢灵活性而成为一种优秀的模式生物，在氮限制条件下仍能实现高达30%的脂质含量——使其成为研究氮和光照调节策略的理想选择[7],[8]。

氮供应是决定微藻生长和代谢物积累的关键因素[9]。在氮充足的情况下，细胞分裂和生物质积累通常会增加，而氮限制则会抑制生长并使碳流重新导向脂质合成[10]。这在微藻生物技术中提出了一个核心挑战：在不严重影响生物质产量的前提下提高脂质含量。先前的研究表明，适度的氮胁迫可以促进脂质积累同时保持显著的生长[11]。然而，氮供应严重受限会导致光合活性下降、藻类黄化甚至代谢崩溃[12]。除了浓度之外，氮源的选择同样重要。虽然硝酸盐和铵盐是常见的氮源，但前者可能成本较高，后者在高浓度下可能有毒或具有抑制作用。相比之下，尿素是一种广泛可用、成本低廉且高效的替代品[13]。因此，优化尿素浓度对于提高T. obliquus的脂质产量至关重要，也是其可扩展培养的关键策略。

光照质量作为关键的环境因素，与氮供应协同作用以调节微藻的代谢。这种相互作用通过影响细胞内信号网络和基因表达模式来共同指导代谢流的分配[14],[15]。在分子水平上，氮状态调节参与氮代谢的基因（如谷氨酰胺合成酶 (GS) 和硝酸盐转运蛋白 (NRTs) 的表达，从而精细调节氮的吸收和同化效率[16]。相反，光照质量被光受体感知，后者激活下游信号通路，影响与光合作用（例如psbA、rbcL）和碳代谢相关的基因的转录[17],[18]。这些通路之间的相互作用通过共享的转录因子（包括< />和MYB家族的因子）实现信号整合[19]。在氮缺乏的情况下，特定的光受体信号可以通过调节应激响应通路中关键基因的表达来增强或减弱脂质合成的诱导[20]。这些分子相互作用的生理影响取决于波长[21]。在光合有效辐射（PAR）范围内，红光与叶绿素的吸收峰相匹配，有效驱动T. obliquus的光合作用并促进碳同化和生物质积累[22]。蓝光在提供能量的同时，还通过专门的光受体通路调节代谢平衡和应激反应，从而促进脂质合成[23]。绿光以其高穿透能力而闻名，而全谱白光通常用作实验对照[24]。以往的研究主要使用单色LED，虽然精确但成本较高且难以扩展。此外，在低成本、可扩展的培养条件下，光照质量与氮供应之间的协同作用仍不甚明了。因此，开发经济可行的光照调节策略并阐明其与氮营养的相互作用在理论和实践上都非常重要。

为了解决这一挑战，采用了氮和光照质量联合调节策略。采用“两阶段培养策略”（TSCS）来解决生物质生长和脂质积累之间的固有权衡[25]，并使用掺有色素的聚乙烯（PE）光谱调制膜代替昂贵的LED系统进行可扩展的光谱控制。通过系统测量总脂质含量、脂肪酸组成和潜在的代谢途径，本研究旨在阐明光-氮相互作用共同促进生长和脂质生产的统一调节机制。研究结果有望为微藻代谢调节提供关键见解，并为藻类代谢工程建立一个新的理论框架，直接关系到生物燃料和其他高价值产品的生产。

部分摘录

微藻菌株和培养条件

本研究中使用的微藻菌株是来自中国科学院武汉水生生物研究所的T. obliquus FACHB-14。本研究使用的培养基是改良的BG-11培养基（见补充材料）。除了氮源外，所有其他成分都与BG-11培养基相同，初始pH值调整为7.0 ± 0.1。微藻培养在1 L锥形烧瓶中进行，控制条件为温度维持在25 ± 1 °C

微藻对不同氮浓度的生理反应

为了优化TSCS中的初始生物质积累，首先研究了氮浓度和光照质量（通过掺有色素的PE膜调节）对微藻早期生长的影响。在均匀白光下测试了五种氮浓度梯度。通过测量细胞密度、干重和生物质产量来评估氮供应对微藻生长的影响。

培养到第7天时，微藻细胞密度已

结论

本研究通过实施光-氮协同作用下的两阶段培养策略，研究了T. obliquus中生长与脂质积累之间的经典权衡。结果表明，在第一阶段，生长最佳条件是在红色色素掺杂的PE膜下250 mg·L^-1的氮浓度。在第二阶段脂质诱导阶段，发现50 mg·L^-1氮浓度在蓝色色素掺杂的PE膜下的协同处理最为有效

CRediT作者贡献声明

王明：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究。马向萌：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。魏群：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调。康瑞云：验证、数据分析、数据管理。朱文曦：数据分析。刘国琴：验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52360008）的财政支持。