硅藻是一類自養(yǎng)的單細(xì)胞真核藻類，能夠高效的將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存起來(lái)，是主要的初級(jí)生產(chǎn)者，約占海洋總固碳量的40%，為地球提供了20%的初級(jí)生產(chǎn)力，相當(dāng)于整個(gè)熱帶雨林的凈初級(jí)生產(chǎn)量。三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）是硅藻研究的模式種，在特定的環(huán)境條件下以油脂（主要是甘油三酯，TAG）的形式將碳和能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。目前認(rèn)為它僅有無(wú)性生殖方式，具有生長(zhǎng)快、易培養(yǎng)、單位面積產(chǎn)油量高等優(yōu)點(diǎn)，是極具潛力的生物柴油原料。 

　　真核生物TAG的合成主要有兩種途徑：依賴于酰基輔酶A的從頭合成途徑和不依賴于酰基輔酶A的合成途徑，分別由二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶（DGAT）和磷脂:二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶（PDAT）催化。近日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所胡晗華研究員課題組揭示了三角褐指藻PDAT等位基因依賴表達(dá)和功能差異調(diào)控其碳儲(chǔ)存和生長(zhǎng)的新機(jī)制。該研究發(fā)現(xiàn)，三角褐指藻Pt1株系PDAT等位基因的編碼區(qū)存在47個(gè)單核苷酸位點(diǎn)變異（SNVs）。對(duì)已發(fā)表的87個(gè)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示，其中一個(gè)等位基因（PDAT Allele 2）的表達(dá)在氮限制條件下被特異性地誘導(dǎo)（圖1）。 

圖1 不同培養(yǎng)條件下三角褐指藻PDAT的表達(dá)水平

　　在三角褐指藻中特異性地過(guò)量表達(dá)等位基因PDAT Allele 2可以在營(yíng)養(yǎng)限制條件下使細(xì)胞中的TAG含量提高44~74%；而過(guò)量表達(dá)另外一個(gè)等位基因PDAT Allele 1幾乎不影響細(xì)胞中的TAG積累，卻嚴(yán)重地限制了細(xì)胞的生長(zhǎng)（圖2）；這表明兩個(gè)PDAT等位基因編碼的蛋白質(zhì)具有不同的功能。 

圖2 過(guò)量表達(dá)三角褐指藻兩個(gè)PDAT等位基因對(duì)生長(zhǎng)、氮利用和TAG積累的影響

　　酵母中異源表達(dá)分析顯示，等位基因 PDAT Allele 2編碼的氨基酸有TAG合成的活性，而等位基因 PDAT Allele 1編碼的氨基酸幾乎沒(méi)有TAG合成的活性，N端的7個(gè)和C端的3個(gè)氨基酸變異對(duì)二者的活性有顯著影響（圖3）。對(duì)PDAT基因敲除藻株進(jìn)行脂質(zhì)組分析，發(fā)現(xiàn)三角褐指藻PDAT主要以單半乳糖甘油二酯（MGDG）和磷脂酰膽堿（PC）作為?；w，這與其葉綠體最內(nèi)層膜定位特性相符。該研究揭示了由等位基因編碼的PDAT在介導(dǎo)碳儲(chǔ)存和生長(zhǎng)以應(yīng)對(duì)氮脅迫方面的不平衡作用，并提出了提高脂質(zhì)含量和生物量的基因工程新策略。 

圖3 PDAT等位基因編碼的氨基酸活性及結(jié)構(gòu)分析

　　上述研究成果以“Allele-dependent expression and functionality of lipid enzyme PDAT affects diatom carbon storage and growth”為題發(fā)表在Plant Physiology雜志上，胡晗華研究員為該論文的通訊作者，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師潘玉芳為論文的第一作者。北京大學(xué)劉進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)及法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)Eric Mar chal教授團(tuán)隊(duì)參與了此項(xiàng)工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（41976119,42376131和31800302）和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局國(guó)際伙伴計(jì)劃（075GJHZ2022014MI）等項(xiàng)目的資助。文章鏈接為https://doi.org/10.1093/plphys/kiad581。