海洋所研究揭示螺旋藻pilA基因調(diào)控多糖合成和細(xì)胞聚集的關(guān)鍵作用
近日,中國科學(xué)院海洋研究所藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種研究團隊在螺旋藻基因編輯研究方面取得新進(jìn)展。該研究團隊利用基因編輯技術(shù)成功敲除了鈍頂螺旋藻中的pilA基因,系統(tǒng)揭示了該基因在調(diào)控胞外多糖合成、細(xì)胞聚集中的關(guān)鍵作用。相關(guān)研究成果在Journal of Oceanology and Limnology發(fā)表。
螺旋藻因富含蛋白質(zhì)、藻藍(lán)蛋白和胞外多糖等高值化合物,在食品、飼料及醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,胞外多糖尤其展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而,目前關(guān)于鈍頂螺旋藻的Ⅳ型菌毛系統(tǒng)(T4P)與胞外多糖合成之間是否存在協(xié)同關(guān)系尚不明確。該團隊以鈍頂螺旋藻FACHB-439為材料,成功敲除了T4P關(guān)鍵編碼基因——pilA。表型研究發(fā)現(xiàn),ΔpilA藻株在靜置條件下更易聚集,且喪失自主運動能力,在單向光照條件下無法向光源方向遷移;在相對高光條件下,ΔpilA藻株胞外多糖產(chǎn)量顯著提升,最高可達(dá)53.61 ± 4.25 mg/g,約為野生型的1.81倍。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析結(jié)果顯示,ΔpilA藻株與野生型之間的差異表達(dá)基因主要富集于生物合成、物質(zhì)轉(zhuǎn)運以及碳代謝通路等途徑,特別是參與單糖前體合成、多糖合成與分泌的多個關(guān)鍵基因在ΔpilA藻株中顯著上調(diào)。研究揭示了鈍頂螺旋藻T4P系統(tǒng)關(guān)鍵亞基PilA在介導(dǎo)胞外多糖合成及細(xì)胞聚集中的關(guān)鍵作用。

圖 鈍頂螺旋藻敲除pilA基因后的分子及表型驗證
海洋所在螺旋藻研究方面歷史悠久?!捌呶濉逼陂g,我所曾呈奎院士和水生生物研究所黎尚豪院士共同主持了國家重點科技攻關(guān)項目“藻類飼料蛋白開發(fā)”,成功突破了螺旋藻養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)難關(guān),取得了豐碩成果,成為螺旋藻產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的重要里程碑。隨后,在原國家科委的領(lǐng)導(dǎo)下,國內(nèi)相關(guān)科研單位、高校和企業(yè)協(xié)同發(fā)力,不斷優(yōu)化養(yǎng)殖技術(shù)和培育新品系,有力推動了螺旋藻產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展,使我國一躍成為全球最大的螺旋藻生產(chǎn)國,產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%~80%。在曾呈奎院士的指導(dǎo)下,中國科學(xué)院海洋研究所藻類光合作用研究組(現(xiàn)為藻類生理過程與精準(zhǔn)分子育種研究組)時任組長周百成研究員帶領(lǐng)團隊,在螺旋藻培養(yǎng)和水產(chǎn)飼料應(yīng)用研究方面取得重要進(jìn)展,“海珍品飼料新技術(shù)研究”于1995年獲中國科學(xué)院科技進(jìn)步獎二等獎。
優(yōu)良品種的培育是推動螺旋藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。利用誘變等傳統(tǒng)育種技術(shù)培育的螺旋藻品種在產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮了重要作用。隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展,基因編輯等新興技術(shù)為育種領(lǐng)域帶來了革命性突破,有力推動了精準(zhǔn)設(shè)計育種的發(fā)展。然而,我國經(jīng)濟藻類精準(zhǔn)設(shè)計育種仍處于起步階段,在螺旋藻領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為明顯?;蚓庉嫾夹g(shù)的成功應(yīng)用,標(biāo)志著螺旋藻產(chǎn)業(yè)正加速邁向精準(zhǔn)化、高端化和定制化發(fā)展新階段。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所碩士研究生韓雨茜和解修俊副研究員,通訊作者為王廣策研究員。該研究工作由中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)計劃等項目聯(lián)合資助。
論文信息:
Yuxi Han#, Xiujun Xie#, Songcui Wu, Shurui Wang, Shan Gao, Wenhui Gu, Guangce Wang*. Knockout of pilA gene in Spirulina platensis enhances the exopolysaccharide production and auto-aggregation. J. Ocean. Limnol. (2026). https://doi.org/10.1007/s00343-025-5336-1
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