硅藻是藻類中的一個重要類群，作為主要的初級生產(chǎn)者，約占全球初級生產(chǎn)的五分之一，相當于整個熱帶雨林的凈初級生產(chǎn)量。與多數(shù)藻類不同，硅藻同化產(chǎn)物主要是油或金藻多糖，其中油份以油滴狀態(tài)貯存在細胞中，含量可占40~60%，因而被認為是最為合適的生物柴油原料之一。然而，目前其油脂積累的分子機制尚不清楚。
近日，中國科學院水生生物研究所副研究員胡晗華課題組以硅藻研究的模式種三角褐指藻為對象，揭示了硅藻油脂積累過程中不同代謝路徑如何推動碳流流向甘油三酯的合成。他們首先通過差減雜交，發(fā)現(xiàn)一個與亮氨酸降解相關的基因MCC2在油脂積累過程中顯著上調。通常認為油脂積累是伴隨著營養(yǎng)鹽的限制而發(fā)生的，因而在營養(yǎng)鹽限制條件下，氨基酸降解是其必然的結果。但氨基酸降解的去向如何？是否均與油脂積累存在關系？這些問題并沒有任何直接的證據(jù)。通過熒光定量PCR與非標記定量蛋白質組學手段（與水生所葛峰研究員合作完成）的分析顯示在油脂積累過程中除氨基酸降解外，糖酵解、三羧酸循環(huán)、丙酮酸代謝、脂肪酸與甘油三酯合成等路徑相關蛋白水平顯著上調。顯示油脂積累過程中，由氨基酸降解和細胞糖酵解產(chǎn)生的碳流進入到三羧酸循環(huán)，再經(jīng)由蘋果酸穿梭或直接以丙酮酸形式進入到葉綠體中用于脂肪酸的合成。功能驗證結果顯示，MCC2敲降藻株甘油三酯合成減少28~37%。有研究表明，在營養(yǎng)限制條件下三角褐指藻最多40%的脂是由細胞其他成分降解轉化而來的。由此可見，可能僅僅是支鏈氨基酸尤其是亮氨酸的降解在三角褐指藻油脂積累過程中起主要作用。代謝物水平分析顯示，MCC2敲降藻株中三種支鏈氨基酸的降解均受到不同程度的抑制。盡管谷氨酰胺、精氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丙氨酸、鳥氨酸和天冬氨酸等的含量遠高于三種支鏈氨基酸，然而，在油脂積累前，這些氨基酸含量均快速降至極低水平。實驗進一步證明這些氨基酸由于直接或間接與硅藻特有的尿素循環(huán)相關，在細胞缺氮前即通過尿素循環(huán)分解形成氨和二氧化碳或合成多胺等物質貯存在胞內。實驗也證明了纈氨酸的降解是通過首先形成亮氨酸來進行的。他們的實驗首次闡明來自細胞糖酵解與支鏈氨基酸降解的碳流導致了硅藻細胞油脂的積累。
相關論文Methylcrotonyl-CoA carboxylase regulates triacylglycerol accumulation in the model diatom Phaeodactylum tricornutum 已于4月25日在線發(fā)表于Plant Cell。
