合肥研究院在高产虾青素方法研究中获进展

近期,中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所研究员黄青课题组在基于生物光谱快速筛选高产虾青素突变株方面取得进展,相关研究成果发表在国际光谱学专业期刊Applied Spectroscopy 和应用微生物学期刊Letters in Applied Microbiology 上。

  虾青素是一种类胡萝卜素,具有极强的抗氧化能力,被广泛应用于化妆品、食品、畜牧和水产养殖中的饲料等领域。雨生红球藻是天然虾青素生产的主要来源,但是自然界中的雨生红球藻藻种具有虾青素产量低、生长速率慢的缺点,这就需要发展高效的雨生红球藻的品种选育技术,其中包括诱变和筛选技术。黄青研究组对此开展了研究。

  他们首先在利用低温等离子体获得多种雨生红球藻突变株方面取得进展。但是,如何从这些诱变株中快速筛选具有高产虾青素性能的突变株,是需要解决的关键问题,对发展高效的诱变育种技术至关重要,为此,黄青提出基于生物光谱的诱变藻株筛选方法。生物光谱是利用生物分子或者基团的发射、吸收或者散射光谱的特征来确定其组分、性质、结构及含量,它具有简单、快速、实时动态和无损检测等优势,结合显微成像能够实现对生物体进行多组分、微观空间的观测。课题组从分析雨生红球藻细胞的化学成分及随时间变化过程入手,研究其生长代谢关系,在其早期生长阶段鉴别出高产虾青素的诱变株,并建立起有效的光谱筛选的方法。

  研究显示,利用红外和拉曼显微光谱及成像技术可以很好地对虾青素、β胡萝卜素、蛋白质、脂类和多糖的含量和空间分布进行快速定量分析。这样,可以在细胞水平上分析产虾青素的过程,从而建立在生长早期对高产虾青素突变藻株快速鉴别的方法。在应用红外光谱中,他们发现用光谱吸收强度I(1740)/I(1156)可以预测虾青素产量,以此可以作为测度不同藻株中虾青素含量的一个重要光谱筛选指标。另一方面,利用拉曼光谱显微成像并结合多元曲线分辨(MCR)分析方法,能够在单细胞水平上对虾青素、β胡萝卜素和叶绿素的含量实现定量分析。此外,还应用红外和拉曼光谱结合主成分分析(PCA)能够实现不同虾青素产量的雨生红球藻突变株快速区分。这些研究结果发表于国际光谱学专业期刊Applied Spectroscopy

  此外,黄青研究组还探索了对藻株群体细胞的近红外光谱(NIRS:near-infrared spectroscopy)筛选方法。他们把群体藻株的近红外光谱并结合生化检测建立了基于偏最小二乘(PLS)的生物量、虾青素含量及虾青素在藻细胞的干重的百分含量的预测模型,由此可以对虾青素不同产量的雨生红球藻突变株进行预测,获得较高的预测准确率。这项工作发表于Letters in Applied Microbiology

  以上研究工作得到国家自然科学基金项目的资助和支持。

雨生红球藻不同突变藻株的红外光谱
  图1:(a)雨生红球藻不同突变藻株的红外光谱;(b)红外光谱吸收强度比值I(1740)/I(1156)光谱强度比值与虾青素含量的关系

雨生红球藻培养20天后不同突变株的(a)红外光谱显微成像分析图和(b)拉曼光谱显微成像分析图

图2:雨生红球藻培养20天后不同突变株的(a)红外光谱显微成像分析图和(b)拉曼光谱显微成像分析图

基于NIRS对雨生红球藻生物量(a)、虾青素含量(b)及其百分含量(c)的预测模型及分析
图3:基于NIRS对雨生红球藻生物量(a)、虾青素含量(b)及其百分含量(c)的预测模型及分析

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