通过EMS诱变结合暗异养筛选技术，构建了一种具有优异自沉降特性的绿藻（Euglena gracilis）工业底盘菌株EGMS，该菌株能够高效产生参数淀粉（paramylon）

《Journal of Cleaner Production》：Construction of a promising self-sedimenting industrial chassis strain EGMS of Euglena gracilis with high paramylon yield via EMS mutagenesis combined with dark-heterotrophic screening

　　

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  构建了一种新型的Euglena gracilis突变体，用于高效生产paramylon。
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  解耦了细胞生长和生物合成过程，实现了1.62克/升的最大生物量。
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  通过重力沉淀法，收获效率提高了118.9%。
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  通过多组学分析，阐明了“推拉”机制。

引言

微藻已成为可持续生产生物燃料、食品补充剂和高价值生物活性化合物的关键“细胞工厂”（Guil-Guerrero和Prates，2025；Torres-Tiji等人，2020）。在多种微藻中，兼性原生动物E. gracilis因其独特的合成高水平paramylon的能力而脱颖而出，paramylon是一种结晶状的β-1,3-葡聚糖储存多糖（Kottuparambil等人，2019；Wu等人，2021）。由于其三螺旋结构和特定的生物活性，paramylon在广泛的应用领域具有巨大潜力，从免疫增强药品和功能性食品到先进生物塑料和纳米纤维的制造（Barsanti和Gualtieri，2019；Wu等人，2026b）。然而，尽管其具有巨大的商业潜力，但目前建立高效且可扩展的paramylon大规模生产生物工艺仍受到关键技术和经济瓶颈的阻碍，主要是生物“生长-生产权衡”以及下游收获成本过高问题。

首先，持续的挑战是内在的“生长-生产权衡”。在传统的培养策略中，储存化合物（脂质或多糖）的过度积累通常是由于营养缺乏（例如氮饥饿）引起的，这种情况会抑制细胞分裂并限制总体体积生产力（Bule等人，2018；Inwongwan等人，2025；Zhu等人，2022）。第二个挑战在于下游处理，特别是生物量收获。由于藻细胞的微小尺寸（10-50微米）、低比重和负表面电荷，收获通常需要耗能很大的离心或昂贵的化学絮凝，这约占生产总成本的20-30%（Singh和Patidar，2018；Wu等人，2020a）。因此，开发一种同时具备“持续”高产特性和“易于收获”特性的稳健底盘菌株是微藻生物技术中的一个重要目标。

为了获得这样的优良菌株，随机突变后进行高通量筛选仍然是一个强大的工具。传统上，高通量筛选方法的开发主要依赖于光学微孔板检测或荧光激活细胞分选（FACS），并结合特定的亲脂性或多糖结合染料（Hu等人，2023；Trov?o等人，2022；Zhang等人，2025a）。然而，这些传统策略在应用于工业菌株开发时存在显著缺点。首先，它们主要在光自养或混合营养条件下实施，这严重偏向于选择细胞内产物含量最高的菌株，这是通过荧光强度来确定的（Trov?o等人，2024）。因此，这些方法常常忽略了工业高密度异养发酵（即黑暗生长）所需的强大碳同化能力。其次，基于荧光的传统分选方法仅关注内部生化组成，完全无法捕捉到与快速沉淀和能量高效收获相关的形态特征（Hu等人，2023）。鉴于这些现有限制，迫切需要开发新的、针对特定条件的筛选方法，能够同时选择异养增强积累和易于收获的特性。此外，虽然E. gracilis的生理参数已有详细描述，但在异养条件下控制碳分配到不同储存途径（如paramylon与蜡酯）之间的分子机制仍不甚明确（Li等人，2025）。特别是，可能将产物积累与应激反应解耦的调控网络尚未完全阐明（Courchesne等人，2009；Wang等人，2025）。

在这项研究中，我们采用了一种针对“黑暗异养”的筛选策略，在乙基甲磺酸（EMS）突变后分离出具有优良工业特性的E. gracilis变体。我们假设施加严格的选择压力——完全黑暗加上葡萄糖供应——将有利于选择具有增强中心碳代谢能力的突变体，从而选择能够在不需要营养匮乏的情况下快速生长和高产paramylon的突变体。在这里，我们报告了一种新型突变菌株EGMS，它表现出增强的paramylon积累和快速的细胞增殖。值得注意的是，EGMS具有独特的“球形和高密度”形态，从而显著降低了收获成本。通过包括代谢组学和转录组学在内的多组学分析，我们提出了一个“推拉”代谢模型，该模型可能与bZIP-MYB转录模块有关，这个模块改变了碳在脂质相关途径和paramylon生物合成之间的分配。这项工作不仅提供了一种有前景的候选菌株用于经济高效的paramylon生产，还为异养微藻中碳代谢的调控重编程提供了新的见解。

章节片段

微藻菌株和培养条件

所有实验都使用了Euglena gracilis CCAP 1224/5Z（野生型，WT）作为起始菌株。该菌株最初从英国藻类和原生动物培养收集中心获得，并由深圳大学Wang Jiangxin博士的实验室提供（Wu等人，2021）。培养使用改良的光自养Euglena培养基（PEM）（Cramer和Myers，1952）。具体营养配方如下：NH₄Cl（1.8克/升），MgSO₄·7H₂O（1.2克/升），KH₂PO₄（0.6克/升），

构建突变库和低光照异养筛选高产突变体

为了产生具有优质生物量和paramylon生产能力的E. gracilis突变菌株，我们采用了EMS进行随机化学突变（图1）。由于优化突变剂量对于平衡突变频率和库的存活率至关重要，我们首先评估了在不同EMS浓度（0-2.0%，体积百分比）和暴露时间（0.5、1.0和2.0小时）下的细胞存活率。如图S1所示的致死曲线所示，细胞存活率表现出剂量-

高产的分子机制：“推拉”策略用于碳分配

基于第3节中介绍的生理特性和多组学发现，我们将这些转录组和代谢组数据整合起来，提出了一个全面的“推拉”调控模型。该模型可能涉及一个分层网络来解释EGMS中的高效碳通道（图9）。虽然微藻的传统代谢工程通常依赖于末端酶的简单过表达（Courchesne等人，2009），但我们的数据表明EGMS

结论

总之，本研究通过一种新颖的黑暗异养筛选策略和无标记形态选择，成功建立了高产的E. gracilis突变体（EGMS）。这种方法使得我们能够识别出一种部分克服了生物量积累和产品形成之间传统权衡的菌株，在非饥饿条件下实现了提高的生物量生产力以及显著增加的paramylon积累。多组学

CRediT作者贡献声明

Cile Xu：撰写——初稿、可视化、软件、方法学、研究、正式分析、概念化。Mingliang Lu：验证、研究、数据管理。Zhuangzhuang Han：可视化、软件、方法学。Chengchen Zhu：验证、研究。Jiahui Zhang：正式分析、数据管理。Liyin Chen：验证、资源管理。Qing He：可视化、验证、资源管理。Feimiao Lu：方法学、软件。Mingcan Wu：撰写——评审与编辑、监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（拨款编号：22568003）资助。