Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Нанохлоропсис
15 3klein2.jpg
Нанохлоропсис под световым микроскопом
Научная классификация е
Клэйд :SAR
Тип:Охрофита
Учебный класс:Eustigmatophyceae
Заказ:Eustigmatales
Семья:Monodopsidaceae
Род:Нанохлоропсис Д. Дж.
Хибберд, 1981 [1]
Типовой вид
Нанохлоропсис глазчатый
(Droop 1955) Хибберд 1981

Nannochloropsis является родом из водорослей , содержащих шести известных видов . В роде в текущей таксономической классификации был первым называется по Хиббердо (1981). [2] Этот вид в основном известен из морской среды, но встречается также в пресной и солоноватой воде. [3] Все виды представляют собой небольшие неподвижные сферы, которые не выражают каких-либо отчетливых морфологических особенностей, которые можно различить с помощью световой или электронной микроскопии . Характеристика в основном осуществляется с помощью гена rbcL и 18S рРНК.анализ последовательности. [4]

Водоросли рода Nannochloropsis отличаются от других родственных микроводорослей тем, что они содержат хлорофилл а и полностью лишены хлорофилла b и хлорофилла c . Кроме того, они способны создавать высокие концентрации ряда пигментов, таких как астаксантин , зеаксантин и кантаксантин . [5] Они имеют диаметр от 2 до 3 микрометров [6] и очень простую ультраструктуру с уменьшенными структурными элементами по сравнению с соседними таксонами.

Нанохлорпсис считается многообещающей водорослью для промышленного применения из-за его способности накапливать высокие уровни полиненасыщенных жирных кислот . [7] [8] Кроме того, он показывает многообещающие особенности, которые могут позволить генетические манипуляции, направленные на генетическое улучшение существующих масляных штаммов . Различные виды Nannochloropsis действительно трансфектируемы, и были доказательства того, что некоторые штаммы способны выполнять гомологичную рекомбинацию. [9] В настоящее время он в основном используется в качестве источника калорийной пищи для личинок рыб и коловраток.. Тем не менее, это вызвало растущий интерес также к исследованию производства биотоплива из фотосинтезирующих организмов . (см. Нанохлорпсис и биотопливо ). Наннохлоропсис на самом деле используется в качестве пищевой добавки для питания человека, а также подается в ресторане «A Poniente» в Эль-Пуэрто-де-Санта-Мария ( Кадис , Испания ), недалеко от естественной среды, где впервые был выделен и до сих пор растет Nannochloropsis gaditana . [10] Исследование, проведенное в 2020 году, предполагает, что его можно использовать в качестве высокоэффективного экологически чистого корма для выращиваемой рыбы . [11][12]

Виды [ править ]

В настоящее время признаны следующие виды:

  • Nannochloropsis australis Fawley , Jameson & Fawley, 2015 г.
  • Nannochloropsis gaditana Lubián 1982 г.
  • Nannochloropsis granulata Karlson & Potter 1996 г.
  • Nannochloropsis limnetica Krienitz et al. 2000 г.
  • Nannochloropsis oceanica Suda & Miyashita 2002 г.
  • Nannochloropsis oculata (Droop 1955) Hibberd 1981 г.
  • Nannochloropsis salina Hibberd 1981 г.

Секвенированные геномы [ править ]

Научное сообщество получило геномную последовательность различных штаммов из Nannochloropsis , принадлежащих к двум видам : Н. gaditana [13] [14] и Н. Oceanica . [15] [16] геном Портал на основе Н. gaditana В-31 геном позволяет получить доступ большой части геномной информации , которая касается этого микроорганизма , кроме того , выделенные веб - страница, также доступна для геномов Н. gaditana CCMP526 и N . oceanica CCMP1779 .

В геномы секвенированного Nannochloropsis штаммов были между 28,5 и 29 Мегом основы длинным, они имели высокую плотность генов , снижение интрона содержания, короткие межгенные области [13] и очень ограниченное наличие повторяющихся последовательностей. [15] Гены двух видов имеют большое сходство.

Анализ геномов показал , что эти микроводоросли имеет множество генов для синтеза и включения в клеточной стенке из целлюлозы и сульфатированный fucans , и что они могут хранить углерод в полимерах беты-1,3- и бета-1,6 -связанная глюкоза, называемая хризоламинарином . [13] ЯМР - анализ целых клеток водорослей , которые были выращены в автотрофном росте [17] сообщает , свидетельствует о присутствии целлюлозы в клеточной стенке и мобильной chrysolaminarin, вероятно , накопленной в растворе вакуолей внутри клетки.

Сравнение между липидными метаболическими генами N. gaditana и красных / зеленых / коричневых водорослей и диатомовых водорослей дало некоторое понимание образцового продуцирования липидов культурами Nannochloropsis . Сравнения действительно выявили наличие расширенного репертуара некоторых генов, участвующих в сборке ТАГ у Nannochloropsis . [14] Многочисленные липазы ТАГ , которые могут влиять на метаболизм ТАГ посредством деградации ТАГ или липидов.ремоделирования, были определены в Nannochloropsis , [15] многие из них , принадлежащих к семейству генов , который , кажется, за исключением Nannochloropsis . [18]

Анализ данных геномной предположить наличие в обоих этих двух видов в Nannochloropsis из регуляторной РНК и , в частности микроРНК . [13] [15]

В геномах Nannochloropsis были обнаружены различные ортологи известных белков, чувствительных к синему свету, что указывает на возможную циркадную регуляцию . [13] [15]

Исследовательское сообщество из Института биоэнергетики и биопроцессов Циндао (QIBEBT [1] ) Академии наук Китая секвенировало и сравнило шесть геномов наннохлорпсиса, которые включают два штамма N. oceanica (IMET1 и CCMP531) и по одному штамму каждого из четырех известных виды : N. salina (CCMP537), N. gaditana (CCMP526, о котором сообщалось ранее [14] ), N. oculata (CCMP525) и N. granulata (CCMP529). [19] Они обнаружили, что шесть геномов имеют общие маслянистые черты, такие как доза гена.расширение избранных генов биосинтеза липидов по сравнению с зелеными водорослями Chlamydomonas . Наиболее ярким примером увеличения дозы гена является диацилглицерин ацилтрансфераза (DGAT), которая катализирует последнюю стадию синтеза триацилглицерина (TAG). У наннохлоропсиса 13 генов DGAT , что составляет самую высокую дозу гена в известных геномах.

Посредством всестороннего филогенетического анализа исследователи предположили, что среди 11 DGAT-2 один ген может происходить от вторичного эндосимбионта , связанного с красными водорослями , четыре - от эндосимбионта , связанного с зелеными водорослями , а остальные шесть - от генома эукариот-хозяина. Кроме того, большая часть (15,3%) генов, связанных с биосинтезом ТАГ, была приобретена Nannochloropsis посредством горизонтального переноса генов (HGT) от бактерий . Поэтому, множественное объединение генома и горизонтальный обмен генетического материала , вместе с селективным наследованием от липидагены синтеза и потеря видоспецифичных генов привели к огромному генетическому аппарату маслянистости и широкому геномному расхождению среди современных видов Nannochloropsis .

Накопление нефти при азотной депривации [ править ]

При культивировании в нормальных условиях роста в стандартной среде f / 2 с добавлением азота клетки Nannochloropsis имеют содержание масла около 30% от их сухой массы. Это масло можно использовать для производства биодизеля . Для производства биодизеля необходимо увеличить содержание масла в культурах Nannochloropsis . Было показано, что биосинтез жирных кислот у N. oceanica интегрирован с регуляцией пути биосинтеза холестерина, предлагая новые подходы генной инженерии или химической биологии для увеличения производства масла в микроводорослях. [20]С другой стороны, наблюдались различные условия культивирования для увеличения среднего содержания масла в клетке, поддерживая, однако, только медленные темпы роста культур (см. Соответствующий раздел « Нанохлоропсис и биотопливо» ) и снижая общую продуктивность. Среди этих условий лишение азота было одним из наиболее изученных. Исследования изучали поведение культур при азотном стрессе в различных условиях культивирования, а также физиологический и молекулярный ответ клеток на лишение азота.

Различные штаммы из Nannochloropsis были показаны накапливаться до 60-70% от их общей биомассы в качестве липидов в ограничении азота. [8] [21] В этом состоянии изменяется не только количество липидов , но и их состав. Было замечено, что триацилглицерины в значительной степени увеличиваются при истощении азота, в то время как другие липиды , в основном полярные глицеролипиды , свободные жирные кислоты и диацилглицерины , немного уменьшаются. Увеличение триацилглицеринов при истощении азота намного больше, чем снижение других глицеролипидов., подтверждая гипотезу о том, что клетки активно синтезируют новые триацилглицерины, а не просто превращают существующие липиды в триацилглицерины . [22]

По мере накопления триацилглицеринов и увеличения липидных капель происходят другие важные морфологические изменения. В хлоропластах стали меньше и количество липидов , которые характерны для фотосинтезирующих мембран значительно уменьшить. Выход фотосинтеза снижается в клетках с истощенным азотом, но его все еще достаточно для выживания и роста клеток. Если фотосинтез действительно подавлен, клетки наннохлоропсиса перестают расти, что указывает на то, что они полагаются на фотосинтетическое преобразование солнечной энергии, а не на запасенные углеводы или липиды в качестве источника энергии. [22]

Нанохлоропсис, культивируемый в нормальных условиях роста и лишенный источника азота, продолжает расти в течение 4–5 дней. Анализ экспрессии генов показывает, что механизмы ассимиляции и перераспределения азота активируются в клетках при дефиците азота и позволяют выжить за счет частичной реорганизации клеточного метаболизма . Гены, ответственные за включение свободного аммония в глутамат (L-глутамин + 2-оксоглутарат + NADPH + H + ← → 2 L-глутамат + NADP + ), активируются. Их повышающая регуляция увеличивает способность клеток усваивать минимальное количество аммония.в конечном итоге присутствует в среде и, что более важно, позволяет им ассимилировать внутриклеточный аммоний, который может высвобождаться в процессе деградации. Транскриптомные данные культур Nannochloropsis, лишенных азота, показывают, что различные ферменты, ответственные за процессы деградации, которые высвобождают аммоний, действительно регулируются. Более того, увеличивается экспрессия генов, кодирующих белки, участвующие в контролируемой деградации белков, вместе с другими генами, участвующими в формировании цитозольных секвестрирующих везикул, используемых для деградации и рециклинга клеточных компонентов. [13]

Механизм экспрессии генов в хлоропластах и митохондрии с понижением регулируется в Nannochloropsis в ответ на истощение азота. [13] [14]

Кортеггиэните Carpinelli и соавторы (2013) [13] сообщают полный анализ экспрессии генов в Nannochloropsis культур , выращенных в нормальных условиях и лишении азота в течение 3 дней и 6 дней. Данные об аналогичных условиях были также собраны Radakovits et al. (2012) [14] и Vieler et al. (2012). [15] Все эти данные показывают, что гены, участвующие в биосинтезе жирных кислот и триацилглицерина , всегда присутствуют в клетках в изобилии, и их экспрессия не коррелирует с количеством накопленного масла. Кроме того , выражение из генов участвует в триацилглицеринахдеградация существенно не снижается по мере накопления триацилглицеринов . Общий вывод, сделанный на основании экспериментальных данных, заключается в том, что наннохлоропсис постоянно продуцирует триацилглицерины и что метаболическая реорганизация, которая следует за лишением азота, увеличивает поток субстратов через этот путь, который, в свою очередь, способен поддерживать увеличенный метаболический поток. Corteggiani Carpinelli и соавторы (2013) [13] выдвигают гипотезу о том, что в их экспериментальных условиях фотосинтез является основным источником энергии и подавляет метаболическую активность митохондрий.является определяющим фактором увеличения количества субстратов, которые входят в путь биосинтеза жирных кислот . Если доступно больше предшественников , синтезируется больше жирных кислот , и, как следствие, больше триацилглицеринов продуцируется и накапливается в клетках в виде капелек масла.

Донг и др. (2013) [23] сообщают о количественной оценке содержания различных белков в культурах Nannochloropsis, выращенных с добавкой CO2 и лишенных азота. Несмотря на различные экспериментальные условия, также протеомное исследование, по-видимому, подтверждает гипотезу о том, что накопление триацилглицеринов происходит из-за увеличения метаболического потока через путь биосинтеза жирных кислот . Авторы выдвигают гипотезу о том, что в их экспериментальных условиях деградация запасных сахаров и активация гликолиза ответственны за увеличение количества субстратов черезпуть .

Совсем недавно Ли и соавторы (2014) [24] собрали обширные экспериментальные данные на культурах Nannochloropsis oculata IMET1, выращенных в среде с достаточным содержанием азота и обедненной азотом среде. Согласно их анализу это катаболизм из углеводов и белков вместе с регуляцией генов , присвоенных различными путями (цитозольный гликолизом путем, который производит пируват , а PDHC байпаса, что дает дополнительный ацетил-КоА , а также в результате сочетания TCA реакции с митохондриальным β-окислением), которые необходимы для увеличения поступления предшественников углерода в путь биосинтеза жирных кислот . Тем не менее, авторы предполагают, что не повышенный синтез жирных кислот приводит к накоплению масла внутри клеток, а скорее активация генов, участвующих в сборке триацилглицеринов, которая определяет конечную концентрацию масла. Другими словами, при истощении азота, это повышающая регуляция на транскрипта уровне ключевых генов в триацилглицерина сборки , а не те , в жирных кислот биосинтеза , что приводит к ускоренному триацилглицерина производство.

В 2017 году в исследовании, совместно финансируемом ExxonMobil и Synthetic Genomics, был достигнут прорыв в процентном содержании липидов у Nannochloropsis gaditana благодаря применению конвейера обратной генетики CRISPR-Cas9 и азотного голодания - улучшение разделения общего углерода на липиды с 20% (дикий тип) до 40-45% (мутантный тип). [25]

См. Также [ править ]

  • Микроводоросли
  • Планктонные водоросли
  • Нанохлорпсис и биотопливо
  • Биотопливо
  • Экологичное авиационное топливо
  • Энергетическая ценность биотоплива

Ссылки [ править ]

  1. ^ Hibberd, DJ (1981). «Примечания к таксономии и номенклатуре классов водорослей Eustigmatophyceae и Tribophyceae (синоним Xanthophyceae)». Ботанический журнал Линнеевского общества . 82 (2): 93–119. DOI : 10.1111 / j.1095-8339.1981.tb00954.x .
  2. ^ Хибберд (1981). «Примечания к таксономии и номенклатуре классов водорослей Eustigmatophyceae и Tribophyceae (синоним Xanthophyceae)». Ботанический журнал Линнеевского общества . 82 (2): 93–119. DOI : 10.1111 / j.1095-8339.1981.tb00954.x .
  3. ^ Fawley (2007). «Наблюдения за разнообразием и экологией пресноводных Nannochloropsis (Eustigmatophyceae) с описанием новых таксонов». Протист . 158 (3): 325–336. DOI : 10.1016 / j.protis.2007.03.003 . PMID 17576099 . 
  4. ^ Андерсен, РА; Бретт, RW; и другие. (1998). «Филогения Eustigmatophyceae на основе 18s рДНК, с акцентом на Nannochloropsis». Протист . 149 (1): 61–74. DOI : 10.1016 / S1434-4610 (98) 70010-0 . PMID 23196114 . 
  5. ^ Любиан, LM; и другие. (2000). « Нанохлоропсис (Eustigmatophyceae) как источник коммерчески ценных пигментов». Журнал прикладной психологии . 12 (3/5): 249–255. DOI : 10,1023 / A: 1008170915932 .
  6. ^ Kandilian, R .; Lee, E .; Пилон, Л. (2013). «Радиационные и оптические свойства Nannochloropsis oculata, выращенных при различной освещенности и спектрах». Биоресурсные технологии . 137 : 63–73. DOI : 10.1016 / j.biortech.2013.03.058 . PMID 23587810 . 
  7. ^ Ассаф Сукеник, YCTB (1989). «Регулирование состава жирных кислот по уровню освещенности у Eustigmatophyte Nannochloropsis sp». Журнал психологии . 25 (4): 686–692. DOI : 10.1111 / j.0022-3646.1989.00686.x .
  8. ^ a b Boussiba, S .; Воншак, А .; Cohen, Z .; Avissar, Y .; Ричмонд, А. (1987). «Производство липидов и биомассы галотолерантной микроводорослей Nannochloropsis salina». Биомасса . 12 : 37–47. DOI : 10.1016 / 0144-4565 (87) 90006-0 .
  9. ^ Килиан, О .; Бенеманн, CSE; Нийоги, KK; Вик, Б. (2011). «Высокоэффективная гомологичная рекомбинация в масличной водоросли Nannochloropsis sp» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 108 (52): 21265–21269. DOI : 10.1073 / pnas.1105861108 . PMC 3248512 . PMID 22123974 .  
  10. ^ Лувийское, LM (1982). « Nannochloropsis gaditana sp. Nov., Новый штамм Eustigmatophyceae marina». Лазароа . 4 : 287–293.
  11. ^ «Прорыв в исследованиях обеспечивает получение кормов для аквакультуры без содержания рыбы, что повышает ключевые стандарты» . Phys.org . Проверено 9 декабря 2020 .
  12. ^ Саркер, Паллаб К .; Капусцински, Энн Р .; Маккуин, Брэнди; Фитцджеральд, Девин С .; Нэш, Ханна М .; Гринвуд, Коннор (12 ноября 2020 г.). «Смесь микроводорослей для тилапии исключает рыбную муку и рыбий жир, улучшает рост и экономична» . Научные отчеты . 10 (1): 19328. DOI : 10.1038 / s41598-020-75289-х . ISSN 2045-2322 . PMC 7665073 . PMID 33184333 . Проверено 9 декабря 2020 .    Доступно по лицензии CC BY 4.0 .
  13. ^ a b c d e f g h i Corteggiani Carpinelli, E .; и другие. (2013). «Сборка генома в масштабе хромосом и профилирование транскриптома Nannochloropsis gaditana при истощении азота» . Молекулярный завод . 7 (2): 323–335. DOI : 10.1093 / MP / sst120 . PMID 23966634 . 
  14. ^ a b c d e Радаковиц, Р .; и другие. (2012). «Проект последовательности генома и генетической трансформации маслянистой водоросли Nannochloropis gaditana» . Nat Commun . 3 (2): 686. DOI : 10.1038 / ncomms1688 . PMC 3293424 . PMID 22353717 .  
  15. ^ a b c d e f Vieler, A .; и другие. (2012). «Геном, функциональная аннотация генов и ядерная трансформация гетероконтской маслянистой водоросли Nannochloropsis oceanica CCMP1779» . PLOS Genet . 8 (11): e1003064. DOI : 10.1371 / journal.pgen.1003064 . PMC 3499364 . PMID 23166516 .  
  16. ^ Liang, C .; и другие. (2012). «De Novo Sequencing и глобальный анализ транскриптома Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae) после азотного голодания». Биоэнерг. Res . 6 (2): 494–505. DOI : 10.1007 / s12155-012-9269-0 .
  17. ^ Арнольд, AA; и другие. (2014). «Идентификация липидных и сахаридных составляющих целых клеток микроводорослей методом твердотельного ЯМР 13C» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1848 (1, часть B): 369–377. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2014.07.017 . PMID 25065670 . 
  18. ^ Elisa Corteggiani Carpinelli e Nicola Vitulo Неопубликованные данные доступны через портал генома Nannochloropsis gaditana. Архивировано 29 октября 2013 г. на Wayback Machine.
  19. ^ Ван, Дунмэй; Нин, Канг; Ли, Цзин; и другие.; Сюй, Цзянь (январь 2014 г.). «Геномы наннохлоропсиса выявляют эволюцию маслянистых свойств микроводорослей» . PLOS Genetics . 10 (1): e1004094. DOI : 10.1371 / journal.pgen.1004094 . PMC 3886936 . PMID 24415958 .  
  20. ^ Лу; и другие. (2014). «Регулирование пути биосинтеза холестерина и его интеграция с биосинтезом жирных кислот в маслянистой микроводоросли Nannochloropsis oceanica » . Биотехнология для биотоплива . 7 : 81. DOI : 10,1186 / 1754-6834-7-81 . PMC 4052811 . PMID 24920959 .  
  21. ^ Родольфи, L; Зиттелли, Чини; и другие. (2008). «Микроводоросли для получения масла: отбор штаммов, индукция синтеза липидов и массовое выращивание на открытом воздухе в недорогом фотобиореакторе». Биотехнология и биоинженерия . 102 (1): 100–12. DOI : 10.1002 / bit.22033 . PMID 18683258 . 
  22. ^ a b Симионато, Диана; Блок, Мариз А .; Рокка, Николетта Ла; Жуэ, Джульетта; Марешал, Эрик; Финацци, Джованни; Морозинотто, Томас (2013). «Ответ Nannochloropsis gaditana на азотное голодание включает биосинтез de novo триацилглицеринов, уменьшение количества галактолипидов в хлоропластах и ​​реорганизацию фотосинтетического аппарата» . Эукариотическая клетка . 12 (5): 665–676. DOI : 10.1128 / EC.00363-12 . PMC 3647774 . PMID 23457191 .  
  23. ^ Донг, HP; Уильямс, E; Wang, DZ; Се, ZX; Hsia, RC; Дженк, А; Halden, R; Ли, Дж; Чен, Ф; Место, AR (2013). «Ответы Nannochloropsis oceanica IMET1 на длительное азотное голодание и восстановление» . Физиология растений . 162 (2): 1110–1126. DOI : 10.1104 / pp.113.214320 . PMC 3668043 . PMID 23637339 .  
  24. ^ Ли, Цзин; Хан, Даньсян; Ван, Дунмэй; Нин, Канг; Цзя, Цзин; Вэй, Ли; Цзин, Сяоянь; Хуанг, Ши; Чен, Цзе (2014). «Хореография транскриптомов и липидомов Nannochloropsis раскрывает механизмы синтеза масла в микроводорослях» . Растительная клетка . 26 (4): 1645–1665. DOI : 10.1105 / tpc.113.121418 . PMC 4036577 . PMID 24692423 .  
  25. ^ Аджави, Имад; Верруто, Джон; Аки, Моэна; Сориага, Лия Б. Медник, Дженнифер; Квок, Кэтлин; Персик, Люк; Орчард, Элизабет; Калб, Райан (2017). «Производство липидов в Nannochloropsis gaditana удваивается за счет уменьшения экспрессии одного регулятора транскрипции». Природа Биотехнологии . 35 (7): 647–652. DOI : 10.1038 / nbt.3865 . PMID 28628130 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Guiry, MD; Гайри, GM (2008). «Нанохлоропсис» . AlgaeBase . Всемирное электронное издание, Национальный университет Ирландии, Голуэй . Проверено 21 февраля 2009 .
  • Портал генома наннохлоропсиса gaditana
  • Последние новости и научные отчеты о наннохлоропсисе
  • Веб-страница Nannochloropsis gaditana CCMP526
  • Веб-страница Nannochloropsis oceanica CCMP1779