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doi: 10.7541/2021.2020.066索罗金小球藻异养转自养过程中基因表达的全局调控祝棉棉1, 2赵 亮1张 虎1, 2王红霞1胡 强1韩丹翔1(1. 中国科学院水生生物研究所微藻生物能源与生物技术研发中心, 武汉 430072; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)摘要: 为提高异养条件下索罗金小球藻(Chlorella sorokiniana )蛋白质含量, 扩大该藻株在食品和饲料领域的应用, 研究发现当异养条件下培养的C. sorokiniana GT-1细胞转入光自养培养条件后, 蛋白质含量显著提高。
通过转录组学分析揭示了C. sorokiniana GT-1在异养转自养过程中基因表达发生全局变化, 其中糖酵解途径与磷酸戊糖途径上调, 氮转运和同化途径中的关键酶的编码基因明显上调, 且谷氨酸族氨基酸和丙酮酸族氨基酸的生物合成途径的多个酶在转录水平上显著增强。
研究还发现在异养条件下藻细胞仍然可以表达部分光合作用蛋白的编码基因, 当转入光自养条件后24h 内绝大多数光合作用相关蛋白编码基因的转录被激活。
结果表明在异养转自养条件过程中蛋白质含量的升高与氮的吸收及利用增加、还原能合成的增强、部分氨基酸的合成上调及光合作用蛋白质的大量合成有关。
研究为后续如何通过培养条件优化或代谢工程改造提高C. sorokiniana GT-1产蛋白质的能力提出了新的思路。
关键词: 小球藻; 蛋白质; 营养转换; 代谢调控; 转录组中图分类号: Q344+.1 文献标识码: A 文章编号: 1000-3207(2021)03-0473-14近年来, 富含蛋白质的微藻作为可持续供应的食品和饲料原料引起全球的广泛关注[1]。
小球藻(Chlorella spp.)是一类单细胞真核绿藻, 普遍生长快, 蛋白质含量高, 同时含有多糖和维生素等多种营养活性成分[2, 3], 在人类健康和动物营养领域具有广泛的应用前景[4, 5]。
小球藻的作用及功能主治小球藻概述小球藻（学名：Chlorella）是一种绿色单细胞微藻，属于衣藻目（Chlorellales）。
它被广泛应用在食品、保健品、化妆品等领域，因其丰富的营养成分和多种功能而备受关注。
小球藻富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维素、维生素、矿物质等营养物质。
小球藻的作用小球藻具有多种重要作用，以下列举其中几个主要作用：1.滋养身体：小球藻富含蛋白质、维生素和矿物质等多种营养物质，能够提供身体所需的养分，滋养身体，增强免疫力和抵抗力。
2.抗氧化：小球藻中含有丰富的β-胡萝卜素、维生素C和维生素E等抗氧化物质，能够帮助清除体内自由基，预防氧化反应，并具有延缓衰老的作用。
3.提高能量和体力：小球藻富含蛋白质和碳水化合物，可提供身体所需的能量，增加体力和耐力，适用于需要进行高强度运动或体力劳动的人群。
4.减轻疲劳：小球藻中含有多种维生素B，能够加速糖类、脂肪和蛋白质的分解代谢，帮助身体更有效地利用能量，减轻疲劳感。
5.保护肝脏：小球藻中的藻胆碱具有保肝作用，能够促进肝细胞再生，降低肝脏损伤风险，保护肝脏健康。
6.改善消化系统功能：小球藻中的膳食纤维有助于促进消化系统的正常运转，预防便秘，改善胃肠道功能。
小球藻的功能主治小球藻具有多种功能主治，以下列举其中几个主要功能：1.补充营养：小球藻含有丰富的营养物质，如蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素等，能够帮助人体补充各种营养素，维持身体正常功能。
2.降血脂：小球藻中的富含的Omega-3脂肪酸可降低血液中的胆固醇和三酸甘油酯水平，减少动脉粥样硬化和心血管疾病的发生风险。
3.调节免疫系统：小球藻中的多糖和多种维生素等营养成分能够增强机体免疫力，提高抵抗疾病的能力。
4.清除体内毒素：小球藻中的藻蓝蛋白具有良好的解毒作用，能够帮助清除体内的重金属和其他有害物质，净化身体。
5.改善肠道环境：小球藻中的益生菌有助于调节肠道菌群平衡，促进肠道健康，预防和改善肠道问题，如腹泻和便秘等。
分析小球藻的运用研究现状小球藻)是一种普生性单细胞绿藻,属于绿藻门绿藻纲卵囊藻科,是第一种被人工培养的微藻。
目前世界上已知的小球藻有十几种,变种多达数百个。
小球藻富含多种有效成分,不仅是生物学研究中优良的实验材料,也是很有应用价值的开发对象。
l小球藻细胞中有价值的化合物生长在良好环境中的小球藻藻粉蛋白质含量可达63.60%,18种氨基酸总量为55.95%,其中8种必需氨基酸含量为23.35%,接近优质鱼粉、啤酒酵母,高于绝大多数植物性蛋白,是优良的单细胞蛋白源川。
小球藻碳水化合物含量为5.7%一38%,一般不少于20%,脂类含量为4.5%一86%,不饱和脂肪酸含量明显高于许多植物,且含有二十二碳六烯酸(DHA)。
小球藻的叶绿素含量为4吸一6%,是自然界中最高的,高于已商业化的脱水紫首楷叶绿素含量(0.2%)[2〕。
采用优化的KMI培养基诱导培养小球藻,小球藻的虾青素含量可高达2.24mg?g 一1,具有用来大规模生产虾青素的潜力,是继雨生红球藻、红发夫酵母之后又一备受关注的天然虾青素资源藻类口〕。
小球藻富含绿藻特有的活性物质—绿藻生长因子(CGF),被称为“类荷尔蒙”。
小球藻细胞还含有丰富的维生素A、B、K(vA、vB、vK)和叶酸,各自的含量与培养时间及环境因子密切相关。
2小球藻在农业上的应用小球藻提取物稀释500一10(X)倍,喷施于蔬菜、果树叶面,具有增强植物光合作用和促进根部生长、提高根部养分吸收能力和抗菌力的效果。
用不同浓度小球藻提取物处理大白莱、芥菜和萝卜的种子可提高发芽率、发芽势和发芽指数,还可促进种子萌发过程中胚根生长,缩短种子萌发的周期。
小球藻的提取物没有毒性〔4J,因此在农业及相关领域方面具有应用价值。
3小球藻在工业上的应用3.1食品与饲料生产20世纪60年代,小球藻主要作为单细胞蛋白资源而加以开发利用,以后又在此基础上转向开发生产价值更高的保健品、美容食品和食品添加剂。
我国台湾地区和日本成功地建立了小球藻产业,培养获得的藻细胞制成的小球藻片、小球藻提取物和保健品,被联合国粮食及农业组织(FAO)列为21世纪人类的绿色营养源健康食品。
小球藻科普知识小球藻科普知识世界上已知的微藻大约有10000种左右，几乎绝大部分的藻类普遍富含蛋白质等营养及多种生理活性成分，大量的科学研究已经证实很多微藻具有抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、防止心血管疾病等生理保健功能。
下面和小编一起来看小球藻科普知识，希望有所帮助！小球藻简介小球藻是一类普生性单细胞绿藻，属于绿藻门，绿藻纲，绿球藻目，卵囊藻科，小球藻属。
小球藻种类繁多，生态类型多种多样，在淡水和海水中均有分布，其在人工培养基中也能够良好生长。
现在世界上己知的小球藻有15种左右，加上它的变种可达数百种之多。
我国常见的小球藻种类有蛋白核小球藻、椭圆小球藻，普通小球藻，海水小球藻（又称为微拟球藻或拟微绿球藻）。
其中，蛋白核小球藻和普通小球藻蛋白质含量高，营养丰富，易于规模化培养，海水小球藻含有多不饱和脂肪酸EPA，近年来也备受相关研究单位及企业所重视，而被广泛开发利用。
小球藻呈球形或椭球形，直径2—12μm。
小球藻有薄而坚固的细胞壁，细胞壁的外面一般无粘质，但有时也会分泌粘质而使多个细胞粘在一起。
小球藻细胞内有一杯状或板状载色体，载色体内一般有一淀粉核，随不同的种类淀粉核明显或不明显，有些没有淀粉核，在载色体前方有一细胞核。
小球藻属一般以个体单独存在，但有时也会聚成黏质层而沉到水底或附着在器物上。
小球藻的繁殖方式为裂殖，依靠细胞内原生质分裂而形成不动孢子或称似亲孢子。
当细胞进行增殖时，原生质体分裂为二、四、八或十六个似亲孢子，待母细胞破裂后，似亲孢子就被释放出来。
小球藻养殖模式小球藻除了可在自养条件下利用光能和二氧化碳进行正常的自养生长外，可在异养条件下利用有机碳源进行异养生长，速度比光照条件下快得多，类似于细菌的代谢生长，还可与一些水生动物生活在一起，通过光合作用将无机碳转变为有机碳供给水生动物，同时利用水生动物排出的无机碳、氮等物质，互相构成共生体。
小球藻的代谢途径发生改变，积累不同的代谢产物，生化组成改变及细胞的超微结构发生改变。
蛋白核小球藻psbA基因的克隆及其在自养和异养培养的表达变化孙雪;吴晓微;徐年军;杨锐【摘要】The D1 protein of photosystem Ⅱ plays a key role in electron transfer in higher plants and algae. The psbA gene,which encoded Dl protein,was regulated by multiple environmental factors such as light. In order to discover the transcriptional patterns of psbA in the unicellular green alga Chlorella pyrenoidosa under autotrophic and heterotrophic cultivations, the complete coding sequence of psbA gene was cloned and its transcriptional expressions were investigated by real-time PCR method. The cloned psbA gene was 2 595 bp long with a 5'-untranslated region of 676 bp and a 3'-untranslated region of 857 bp. The open reading frame of psbA encoded 353 amino acids, it's a +T percentage content was58.0% ,and the processing way of mature Dl protein was similar to that of higher plant Sorghum vulgare. Real-time PCR results showed that during the 12 h culture period psbA transcription quantities underwent a rising and then a slow declining process under autotrophic nutrition, while they showed no significant difference under heterotrophic growth. In the process from autotrophy to heterotrophy ,psbA expression quantities rose a little at 2 h and reduced to 0.41-fold 4 h later, then decreased gradually. While in the process of heterotrophy to autotrophy psbA expression increased to 1. 69-fold at 4 h and then maintained at a steady levels. The psbA expression decreased about 40%-59% after different concentrationDCMU added in the autotrophic cultivation, but was promoted in the heterotrophic cultivation to a certain degree.%psbA基因是高等植物和藻类中介导光合电子传递D1蛋白的编码基因,该基因受光照等因素的调控.以单细胞绿藻蛋白核小球藻为材料,克隆了psbA全编码序列并用荧光定量PCR的方法研究了自养和异养藻psbA基因转录水平的变化,以揭示不同培养方式下psbA基因表达变化规律.结果克隆到2 595 bp psbA序列,包括676 bp的5′-非翻译区和857 bp 的3′非翻译区.该psbA基因开放阅读框编码353个氨基酸,A+T百分含量为58.0％,其成熟的D1蛋白加工方式与高等植物高粱相似.荧光定量结果表明,自养藻在光周期内psbA基因表达量先升高后下降,而异养藻psbA表达变化不明显.从自养转为异养2h时psbA表达量略有升高,4h后下降至转化前的0.41倍并缓慢下降,而从异养转为自养psbA表达量增加,4h时增加至1.69倍,4h后趋于稳定.不同浓度光合抑制剂DCMU降低自养小球藻psbA转录活性至未添加组的40％～59％,而不同程度地促进了异养藻psbA的转录表达.【期刊名称】《水产学报》【年(卷),期】2011(035)010【总页数】6页(P1469-1474)【关键词】蛋白核小球藻;psbA基因;荧光定量PCR;表达【作者】孙雪;吴晓微;徐年军;杨锐【作者单位】宁波大学生命科学与生物工程学院,教育部应用海洋生物技术重点实验室,浙江宁波315211;宁波大学生命科学与生物工程学院,教育部应用海洋生物技术重点实验室,浙江宁波315211;宁波大学生命科学与生物工程学院,教育部应用海洋生物技术重点实验室,浙江宁波315211;宁波大学生命科学与生物工程学院,教育部应用海洋生物技术重点实验室,浙江宁波315211【正文语种】中文【中图分类】Q785;S917小球藻(Chlorella)是一种重要的经济绿藻，常作为光合作用和植物遗传学研究的模式藻。
神奇的远古营养源-小球藻联盟博大(北京)生物工程技术研究所于文娟小球藻是单细胞水藻类植物，其细胞形状为球形，直径3-8微米。
其在地球上已存在了几10亿年，以光合自养进行生长繁殖，生长繁殖速度快，可在20小时内增长4倍，在短时间内就能积累大量生物量。
在上世纪60年代，中国大陆当时因经历自然灾害，粮食匮乏，曾大量种植小球藻。
一方面是因为小球藻生长繁殖速度快，另一方面，它所含的营养成分完全符合人体的营养需求，还具有调节身体的作用。
在1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站发生核泄漏事故，国际援助物资就包括大量的小球藻和小球藻食品，用以提高人体免疫力。
小球藻是一种营养丰富又安全的食物，由于其营养价值高，已被联合国粮农组织(FAO)列为21世纪人类绿色营养源健康食品。
在2012年，小球藻中的蛋白核小球藻已被中国卫生部批准为新资源食品。
—、小球藻中的营养成分小球藻中含有多种对人体健康有价值的成分，归纳起来主要有以下几种。
1．三大营养物质小球藻中含有多种营养成分，含量最高的就是蛋白质。
小球藻中的蛋白质含量一般在50%左右，有的高达60%。
小球藻中的蛋白质属于植物蛋白，组成的氨基酸种类齐全并且比例接近标准模式，是优质的植物蛋白源。
硏究表明［1］，小球藻中含有18 种氨基酸，其中包括8种人体必需氨基酸，这8种必需氨基酸的含量均达到或接近FAO的标准。
其中胱氨酸和蛋氨酸的含量偏低，为第一限制氨基酸，苏氨酸含量略低，为第二限制氨基酸。
但其氨基酸的比例均符合WHO和FAO提出的理想蛋白质中人体必需氨基酸含量模式和评分标准。
小球藻内富含多糖，一般自养的小球藻所含多糖为10-20%，属于海藻多糖。
李亚清等［2］从海水小球藻中提取纯化出的多糖，分析组成小球藻多糖的单糖有D-岩藻糖、D-鼠李糖、D-2-氨基葡萄糖、D-半乳糖、D-葡萄糖和几种未知的单糖。
小球藻所含的多糖大都具有生物活性，具有增强免疫活性和抗肿瘤等作用。
小球藻脂肪内不饱和脂肪酸的比例高达77.4%[3]，而且链长集中在C16-C18，其中必需脂肪酸亚油酸和α-亚麻酸含量分别为47.17%和13.03%。
⼩球藻Chlorella⼩球藻⼩球藻（Chlorella）为绿藻门⼩球藻属普⽣性单细胞绿藻，是⼀种球形单细胞淡⽔藻类，直径3～8微⽶，是地球上最早的⽣命之⼀,出现在20多亿年前，基因始终没有变化，是⼀种⾼效的光合植物，以光合⾃养⽣长繁殖，分布极⼴。
⽬录⼩球藻的简介 ⼩球藻细胞内含有丰富的叶绿素，属于单细胞绿藻，是真核⽣物。
光合作⽤⾮常强，是其他植物的⼏⼗倍。
其含有丰富的蛋⽩质、维⽣素、矿物质、⾷物纤维、核酸及叶绿素等，是维持和促进⼈体健康所不可缺少的营养素，特别是含有令⼈注⽬的⽣物活性物质糖蛋⽩、多糖体以及⾼达13%的核酸等物质。
具有增强⼈体免疫、防⽌病毒增殖、抑制癌细胞增殖、抑制⾎糖上升，降低⾎清胆固醇含量，排除毒素，迅速修复机体的损伤等功能。
⼩球藻中富含CGF（⼩球藻⽣长因⼦），能迅速恢复机体造成的损伤，并可作为⾷品风味改良剂，⼴泛应⽤于⾷品及发酵领域。
⼩球藻为细胞球形或椭圆形、绿⾊、单细胞藻类植物，产于淡⽔或咸⽔。
淡⽔种常⽣长在较肥沃的⽔体中，有时在潮湿⼟壤、岩⽯、树⼲上也能发现。
在⾃然条件下⽔体中的个体不多，但在⼈⼯培养条件下能⼤量⽣长繁殖，产量很⾼，蛋⽩质含量为⼲重的50%左右，还富含其他成分。
⼩球藻是被最早开发的藻类蛋⽩，早在20世纪60年代初，⽇本就开始⼯⼚化⽣产。
中国记载的⼩球藻有椭圆⼩球藻、⼩球藻和蛋⽩核⼩球藻3种，它们都可以进⾏⼈⼯培养。
与螺旋藻类似，⼩球藻不仅蛋⽩质含量⾼，氨基酸组成合理，还含有许多丰富的⽣物活性物质，对不少疾病具有辅助治疗作⽤。
⼩球藻对⾝体的强健作⽤⽐螺旋藻要强好⼏倍。
⼩球藻对⼼，肝，肾肺，肠胃，⽪肤，感冒发烧，等病都有很好的效果，最少要连续吃⼀个⽉。
⼩球藻抗病毒的能⼒极为强悍，吸毒排毒的能⼒也极强。
⼩球藻为世界上公认的健康⾷品，全世界微藻产业中产量最多的品种，在⽇本保健品中连续⼗年销量第⼀，全世界年产量2000吨，主要⽣产地为东南亚地区。
地球最早的神奇⽣物 ⼩球藻（俗称为绿藻），是五亿四千年前就已经在地球上繁衍的⽣物。
小球藻介绍小球藻（Coccolithophores）是一类微型浮游植物，属于硅藻门中的一员。
这种微小的植物以其特殊的外壳结构而闻名，外壳上分布着大量的微小钙质盘状结构，因此也被称为球藻。
外貌和结构小球藻的形态较为简单，体型非常微小，通常只有几微米到几十微米的大小。
它们通常呈椭圆或圆形，具有非常薄的壳体结构。
壳体上分布着大量的钙质盘状结构，这些结构被称为球藻（coccolith），给小球藻带来了很高的抗压能力。
生态环境小球藻广泛分布于全球各大洋的温带和亚热带海域。
它们主要生活在海洋表层，依赖阳光进行光合作用。
由于其微小的体型和大量分布在海洋中，它们被认为是海洋生态系统中最为重要的原生生物之一。
功能和意义小球藻具有重要的生态功能和意义。
首先，它们是海洋食物链的基础环节，被各种浮游动物和底栖生物作为食物。
其次，小球藻通过光合作用吸收二氧化碳，并释放氧气，对调整大气中的气体比例具有重要作用，对地球的气候变化具有一定的影响。
此外，小球藻能够通过盘状结构反射和散射光线，影响海洋水域的光学性质和水色，对海洋环境的物理化学过程也发挥着一定的调节作用。
研究进展小球藻的研究始于19世纪末，随着现代科技的发展，尤其是电子显微镜和分子生物学技术的应用，对小球藻的研究进展迅速。
目前，研究者已经对小球藻的生理、生态、遗传和演化等方面进行了深入的探究。
例如，他们通过对小球藻的遗传物质进行研究，发现了许多关键的基因，揭示了小球藻生长适应性和适应策略。
此外，还有一些研究者通过实验室培养和观察，模拟小球藻在不同环境条件下的生物学过程，使我们更好地理解了这些微小植物的生态行为。
对人类的影响小球藻在全球的生态系统中发挥着重要的作用，但也对人类产生了一定的影响。
首先，小球藻能够导致海水中的浮游藻华，形成大面积的漂浮物，给渔业、航运等海洋产业造成不利影响。
其次，小球藻在一些狭窄海峡和河口湾等地方容易形成堆积，造成水域富营养化，引发藻类大爆发，导致水质污染和生态破坏。
