近日，中科院海洋所藻类生理过程与精准设计育种研究团队在基因编辑技术创制新种质研究方面取得新进展，获得了抗虫且油脂含量高的海洋硅藻--三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）新种质，相关研究成果在国际生物技术领域TOP期刊Biotechnology for Biofuels and Bioproducts上发表。同时，该团队利用基因编辑技术敲除了三角褐指藻的隐花色素基因获得了高岩藻黄素含量的新种质，近期在藻类学期刊Algal Research上发表。
" v8 Q" r$ L$ Y5 [* q 0 b! p6 q8 P8 q# c* ]* W5 l& f
三角褐指藻是一种重要的经济微藻，不仅可作为重要的水产饵料，还是一种高值产物的原材料。然而，原生动物的污染已成为三角褐指藻大规模养殖的主要限制性因子。因此，培育优质抗虫的三角褐指藻新种质势在必行。) q6 V* p4 @7 L- N( X$ z. q0 @
3 l) `' x f$ h( o3 f( ^4 k" k
藻类生理过程与精准设计育种研究团队经过多年的努力，在三角褐指藻中发现了一个新基因（Pt2015）（图1）。该团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除了Pt2015，发现Pt2015的敲除藻株在细胞形态和生长速度，与野生型无显著差异。该团队发现Pt2015的过表达可导致三角褐指藻的细胞形态由梭型向具有特殊空间结构的三出放射型转变，表明Pt2015蛋白是三角褐指藻细胞梭型向三出放射型转变的正向触发因子。研究还发现，由Pt2015过表达导致的三出放射型藻株经济性状极其稳定。该Pt2015过表达藻株呈现立体的三出放射型，对主要敌害动物（阿米巴）表现出明显的抵抗能力（增强了2倍），同时细胞内总脂含量比野生型高约30%（图2），而且生长速度与野生型无差异。这一基因的发现以及敲除和过表达藻株的获得，不仅有助于我们深入认识硅藻细胞形态转变机制，而且将为三角褐指藻的大规模培养提供油脂含量高且抗虫能力强的新种质。! ?, u7 y, v$ H# _
+ ? R1 ~$ i' \9 K- n
三角褐指藻还富含活性物质如EPA，DHA和岩藻黄素等，其中岩藻黄素具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、减肥等多种功效，已成为海洋产业中的“明星产品”。过去主要从大型褐藻中提取岩藻黄素，然而得率低且品质不佳。目前，三角褐指藻已成为提取岩藻黄素的重要原材料。藻类生理过程与精准设计育种研究团队利用基因编辑技术敲除了三角褐指藻的隐花色素基因（CryP），突变藻株的岩藻黄素含量显著升高（图3）。 这一研究成果将为岩藻黄素相关产业提供备选经济藻株。 I5 p. E+ m* ?9 i3 h
4 n3 ]1 A7 ?% P( L0 F9 L ^5 `! V; G5 {$ t( [! a& v
图1 三角褐指藻Pt2015蛋白的细胞定位
0 Z1 C9 ?) {# B2 U" X8 l% V 3 H0 c. Y9 B& R( g
$ A6 `5 ~/ v7 _" K" Y4 f+ r. v# P图2 WT(A)，Pt2015敲除(B)和过表达(C)藻株的显微和扫描电镜照片及Bodipy505/515染色(G) ' Q1 ]8 Y8 u8 Q% w# b# D3 Z) h
8 Z+ X2 Y9 x! p/ f
; m, E4 N6 S8 ~" i7 N1 g% n
图3 三角褐指藻隐花色素基因敲除藻株 S" T" ^( F( K. C8 S
9 v" s" L, U6 B' Y& e4 {0 R
发表在Biotechnology for Biofuels and Bioproducts的研究论文第一作者为高山副研究员和周璐博士, 通讯作者为王广策研究员。发表在Algal Research的研究论文第一作者为硕士研究生杨文婷，通讯作者为高山副研究员和王广策研究员。研究得到了国家重点研发计划、山东省重点研发计划、国家藻类产业技术体系及国家自然科学基金等项目的资助。
3 ^1 x/ e5 \+ |, T9 q & d' Q! V, D5 t i
; X0 a- v9 L, o Q# g, X
相关研究成果：2 A1 D/ X9 @/ D8 q
4 O: P O3 x/ v6 W6 W: f
Gao Shan#, Zhou Lu#, Yang Wenting, Wang Lijun, Liu Xuehua, Gong Yingchun, Hu Qiang and Wang Guangce*. Overexpression of a novel gene (Pt2015) endows the commercial diatom Phaeodactylum tricornutum high lipid content and grazing resistance. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, 2022, 15:131, 1-19
* B* x3 B/ w7 Y" K
r' S( E' `4 c3 Q9 Q https://doi.org/10.1186/s13068-022-02221-y
4 u. r1 P+ ^; ?: B$ U O : U' ~6 v0 j) l& `4 m% D9 s' H6 j* E
4 ?! s, ]5 r' P8 k6 E. {* f/ D+ q# w
$ K: S* r+ Y; r Yang Wenting, Zhou Lu, Wang Jing, Wang Lijun, Gao Shan*, Wang Guangce* Knockout of a diatom cryptochrome by CRISPR/Cas9 causes an increase in light-harvesting protein levels and accumulation of fucoxanthin. Algal Research, 2022, 66,102822.3 l! x+ P& e6 M% U0 y+ I; q: z+ }
: ~- C3 c0 k1 x
https://doi.org/10.1016/j.algal.2022.102822/ t8 l, L5 ?7 {% v g: c& C
; S l& J; j8 D; t4 i2 _+ \& K
* S' |, T$ H6 i* h |
6 U, }2 C0 Q7 {0 S5 [( r
; q2 [ ^+ t- v) m. m3 `