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海洋微藻是海洋生态系统中的主要初级生产者，种类多，繁殖快，在海洋生态系统的物质循环和能量流动中起着极其重要的作用。海洋微藻营养丰富，富含微量元素和各类生物活性物质，易于人工繁殖，生长速度快，繁殖周期短，在医药、保健品、化妆品、饲料添加剂等方面具有广阔的应用前景。近几十年来，随着现代生物技术的应用，遗传工程、基因工程等的迅猛发展，人类对海洋微藻的研究开发进入一个崭新时期。黄炳耀博士致力于微藻生理生化和合成生物学生物学研究，研究对象包括紫球藻、三角褐指藻和微拟球藻等。

紫球藻是生产藻红蛋白的优质藻种，我们基于机械搅拌式光照发酵罐，通过单因素实验论证了搅拌速率、光照强度、氮浓度以及NaCl浓度对藻红蛋白产量的影响，优化了发酵罐培养紫球藻生产藻红蛋白的条件，为紫球藻藻红蛋白的工业化生产提供基础数据及思路（广西科学,2020, 27(5):541-544）。

三角褐指藻富含多不饱和脂肪酸、岩藻黄素等多种生物活性物质，在营养学、医药学和生物能源领域具有重要的应用价值。近几十年来，三角褐指藻作为一种模式硅藻和能源微藻已在多方面被大量研究，并逐渐由以生理生态研究为主转移到以转录组学、功能基因组学和蛋白质组学为代表的分子机制研究。三角褐指藻能够观察到的细胞形态包括卵形、梭形、三出放射形和十字交叉形，其中卵形和梭形是占比最高的形态。三角褐指藻的细胞形态特征影响其生物活性物质含量、生长习性和环境适应性。以往研究主要关注环境因子如何影响三角褐指藻细胞形态建成，极少从分子水平阐述其细胞形态建成。

本实验室成功分离到相同培养条件下细胞形态分别为梭形和卵形的单一形态细胞样品（图1A, B）。通过转录组分析，初步揭示了两种细胞间的转录组差异。结果显示，梭型细胞和卵形细胞的转录组存在明显差异，大量基因存在差异表达（图1C, D）。与卵形细胞相比，梭型细胞表达水平上调的基因有587个，下调的基因有1051个。

KEGG分析发现，与生理活跃度密切相关的其他信号通路，如氨基酸合成、离子转运，糖酵解，碳代谢等，在梭型细胞中由上调基因所指征的通路信号水平明显高于卵形细胞，预示着梭型细胞的细胞活跃程度和代谢水平要显著高于卵形细胞（图2A, B），这也与两种细胞的生长特点相一致。

但是氮代谢途径以及代表能量代谢水平的三羧酸循环（TCA），梭形细胞中的信号水平要明显弱于卵形细胞（图2C, D），这预示着梭型细胞的耗能要小于卵形细胞，可能积累更多的碳水化合物，这与梭型细胞的脂质和蛋白质要高于卵形细胞的特征相一致。

图1 梭型细胞和卵形细胞形态及其差异基因分析

（A）梭型细胞；（B）卵形细胞；（C）对应比较组差异表达基因MA图；（D）对应比较组差异表达基因GO分类条形图。比较方案是：卵形细胞（对照组）VS梭型细胞（实验组）。

图2 KEGG功能富集分析

（A）梭型细胞中转录水平高于卵形细胞的差异基因KEGG分析结果，；（B）氨基酸合成途径（Biosynthesis of amino acids）的KEGG分析；（C）梭型细胞中转录水平低于卵形细胞的差异基因KEGG分析结果；（D）三羧酸循环（TCA cycle）合成途径的KEGG分析。比较方案是：卵形细胞（对照组）VS梭型细胞（实验组）。

这些转录组信息的解析，将为我们在转录水平了解三角褐指藻卵形细胞和梭型细胞生理生化的形成机制提供线索。后续研究中，我们将对这些分析结果进行生物学验证，然后基于以上转录组结果，针对三角褐指藻细胞形态建成的机理开展深入研究。

相关论文信息：

陈晓倩, 刘永宏, 黄炳耀*. 基于机械搅拌式光照发酵罐的紫球藻高产藻红蛋白培养条件优化, 广西科学, 2020, 27(5):541-544.