LED调光和补氮联合策略提高兼养三角褐指藻的岩藻黄素产量

转自:微藻技术与产业

华南理工大学在海洋微藻生产岩藻黄素研究方面取得重要突破——LED调光和补氮联合策略提高兼养三角褐指藻的岩藻黄素产量

岩藻黄素(Fucoxanthin)是一种广泛存在于海洋藻类的类胡萝卜素,占整个生物圈中所有类胡萝卜素含量的10%以上。岩藻黄素具有抗癌、抗肥胖、预防糖尿病及阿尔兹海默症等功效,在生物医药和功能食品领域具有重要应用价值。目前商业化岩藻黄素的主要来源是海带、裙带菜等大型褐藻,这类原料中岩藻黄素含量极低(仅约为干重的0.01%),提取困难、加工成本高且产物纯度低,难以满足日益增长的市场需求。海洋硅藻三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)生长速度快,可进行自养和兼养培养,自养下其岩藻黄素含量高达干重的1%~6%,是大型海藻的上百倍三角褐指藻来源的岩藻黄素藻油已获得美国FDA认证,作为肝脏脂肪控制的膳食补充剂,是国际市场的新宠。

目前,三角褐指藻的培养主要在自养条件下进行,生物量浓度低、培养时间长,不利于高效生产岩藻黄素。前人研究表明,三角褐指藻在兼养条件下生物量干重可达3~15 g/L,但类胡萝卜素含量通常只有干重的0.5%~0.7%。开发三角褐指藻在兼养条件下快速生长及高效积累岩藻黄素的关键技术是目前亟待突破的瓶颈。

华南理工大学魏东教授课题组系统研究了三角褐指藻响应不同光质与补氮策略的特性,建立了两阶段兼养培养技术,实现了岩藻黄素在该藻中的高效积累。研究论文“Improving fucoxanthin production in mixotrophic culture of marine diatom Phaeodactylum tricornutum by LED light shift and nitrogen supplementation”近期发表在国际生物工程期刊Frontiers in Bioengineering and Biotechnology。 

不同光质条件下三角褐指藻的兼养培养

图1 不同光质条件下三角褐指藻的兼养培养

该研究先在摇瓶中优化了三角褐指藻的兼养培养条件,发现在较高接种密度(1×107cells/mL)和较低光照强度(20 μmol/m2/s)下,有利于三角褐指藻生物量和岩藻黄素积累。在红蓝混合光(6:1)和纯蓝光照射下,可分别达到最大生物量浓度(5.53 g/L)和最高岩藻黄素含量(16.28 mg/g)。因此,在第一阶段采用红蓝混合光(6:1)用于促进细胞生长,在第二阶段采用加强蓝光及补氮操作,用于促进生物量及岩藻黄素积累。通过转换光质和补氮的两步法操作,三角褐指藻在第二阶段获得了最高生物量浓度(6.52 g/L)和岩藻黄素产率(8.22mg/L/d与第一阶段相比,每个细胞内岩藻黄素含量(pg/cell)提升了12%。对岩藻黄素合成途径中关键基因的转录水平的qRT-PCR分析表明,在第二阶段中编码八氢番茄红素合成酶(PSY)、玉米黄质环氧化酶(ZEP)和岩藻黄素叶绿素复合蛋白体b FCPb)的基因转录水平显著上调,而编码紫黄素环氧化酶(VDE)的基因转录水平显著下调,结果显著提升了岩藻黄素含量。
两步法兼养培养三角褐指藻的生产性能与岩藻黄素合成途径中关键基因转录水平调控

2 两步法兼养培养三角褐指藻的生产性能与岩藻黄素合成途径中关键基因转录水平调控

本研究开发的两步法培养工艺,岩藻黄素产率是目前报道的最高水平,为今后利用三角褐指藻规模光发酵生产岩藻黄素奠定了新技术基础。研究亮点:

  1. 高接种密度和低光强培养有利于兼养三角褐指藻生物量及岩藻黄素积累;
  2. 兼养条件下红蓝混合光(6:1)可以促进三角褐指藻生物量的积累;
  3. 兼养条件下蓝光可以显著提高三角褐指藻胞内岩藻黄素的含量;
  4. LED调光和补氮联合策略可以获得最高岩藻黄素产率8.22 mg/L/d;
  5. 在两步法兼养培养中岩藻黄素合成关键基因显著上调促进了岩藻黄素合成。

【论文出处】

RunqingYang, Dong Wei. Improving fucoxanthin production in mixotrophic culture of marine diatom Phaeodactylum tricornutum by LED light shift and nitrogen supplementation. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. doi: 10.3389/fbioe.2020.00820.

【作者】杨润青(博士生)、魏东(教授)

【魏东教授简介】

华南理工大学食品科学与工程学院教授、博士生导师。研究方向为生物转化和营养工程——面向功能食品、环境修复和废弃物资源化利用的工业生物技术,主要包括:

1、围绕工业生物技术的核心内容,针对富含生物活性物质和高效环境修复的微藻(酵母)优良种质,建立“组学”(Omics)技术平台,在转录组、代谢组(脂组)、细胞组、藻际微生物组水平上,重点探索营养与环境因子对微藻与藻际微生物的作用机制、微藻光合作用和光发酵过程中碳氮磷高效生物转化及代谢调控机制的基础科学问题;

2、在应用技术上,着重开发微藻与藻际微生物组培养系统、微藻高密度(光)发酵、微藻户外大规模培养技术及其在生物转化积累植物蛋白、油脂、生物活性物质(类胡萝卜素、胞外多糖、藻胆蛋白)方面的调控技术,为微藻生物活性物质的开发、环境修复、三废(废水、废气、废渣)处理与资源化利用、生物饵料和生物饲料配料、生物能源的开发解决产业化关键技术。

已承担国家级、省部级、市级科研项目和企业委托项目30余项,发表论文140余篇、申报专利24件(授权10件)。现任中国藻业协会理事、中国海洋与湖沼学会海洋生物技术分会理事和藻类分会理事。Energy Conversion and Management (Q1, 2019 IF 8.208)、Critical Reviews in Biotechnology (Q1, 2019 IF 8.108)、BioresourceTechnology (Q1, 2019 IF 7.539)、Journalof CO2 Utilization (Q1, 2019 IF 6.193)等26个SCI国际期刊审稿人,澳大利亚阿德莱德大学博士论文评审人。教育部全国万名优秀创新创业导师人才库首批入库导师;华南理工大学创业导师;国家人社部认证的创业咨询师。

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