ARTP诱变技术在微藻（Microalgae）性状改良育种中的应用

微藻（Microalgae），是指一些微观的单细胞群体，在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类类群，是一类古老...



微藻（Microalgae），是指一些微观的单细胞群体，在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类类群，是一类古老的低等植物（图1）。由于微藻种类繁多、分布范围广、生长速度快、繁殖周期短，且富含微量元素（Se、Mn、Zn等）和各类生物活性物质[1]，如：蛋白质、脂肪（单细胞油脂）、多糖、虾青素、维生素等，在医药、保健品、化妆品、水产养殖饵料、饲料添加剂、化工和环保等方面具广阔的应用前景。

但在利用微藻（Microalgae）产业化开发过程中，由于藻种本身原因，如生理特性、苛刻生长条件等原因限制，一直是影响微藻开发应用。因此，除了寻找和开发性状优良的新藻种之外，通过诱变等技术手段，改良藻种生物性状，提高产业化潜能，一直是微藻产业化应用的研究热点。

微藻育种（Microalgae breeding）方法主要有选择育种、诱变育种、细胞融合以及基因工程技术等等。这些育种手段，在改良微藻性状，开发微藻的产业化应用，发挥了重要作用。常压室温等离子体（Atmospheric and Room Temperature Plasma，ARTP）作为近年来新型的诱变育种技术，在微藻育种，提高微藻生物学特性方面同样取得了良好的效果：

【Case I】

清华大学邢新会教授团队的金丽华博士，首次将ARTP诱变技术应用到微藻—螺旋藻（Spirulina platensis）的诱变育种。微藻具有生产乙醇的潜能，已成为生物燃料的研究热点。若具有生产快、多糖含量高、絮凝性好、叶绿素含量的藻种，不但可以通过碳水化合物发酵方法获得乙醇，有效克服微藻直接转化乙醇等生物燃料存在产量低、副产物多、难分离一系列问题，还能提高产量、降低生产成本。金博士将螺旋藻经ARTP技术处理后，成功筛选到突变后螺旋藻的多糖含量达到菌种干重的33%，较原始株提高了77.8%；同时，絮凝度达到90%以上，较原始株提高了38.5%，而且经ARTP诱变的螺旋藻生长和条件适应性力也有很大的提高（图2）[2]。

【Case II】

北京大学陈峰博士研究团队，以海洋微藻寇氏隐甲藻（Crypthecodinium cohnii）为出发藻种，进行ARTP诱变处理，获得了胞外多糖明显提升的突变株（图3），该突变株胞外多糖（EPS）体积产量、生物量分别为1.02g/L、0.39 g/g，较原始菌分别提高33.85%，85.35% [3]。

【Case III】

中国科学院大连化学物理研究所薛松团队前期主要通过改善培养条件来提高目标产物产量，后期采用了ARTP诱变技术改良湛江等鞭金藻（Isochrysis zhangjiangensis）性能，获得了良好进展。研究表明，经ARTP诱变后的湛江等鞭金藻生长速率与油脂含量有明显提高（图4），突变株生长速率较原始株提高12.5%，油脂含量提高20.8%，可达到109.8mg/（L.d），并且可遗传稳定[4] [5] 。2016年，该团队通过了“富油能源微藻培育与生物柴油制备技术”科技成果鉴定，在该项技术成果中采用了ARTP诱变育种技术等形成了良种高效诱变筛选技术与流程，育种效率大幅提升，并且获得了优良的湛江等鞭金藻，其生长速率提高了27%，油脂含量达到了50%，为国内领先水平。

【Case IV】

福建润科生物工程有限公司吴晓英等，利用ARTP育种技术诱变雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)，结果表明，利用该技术获得的突变株生物量和生物速率分别提高了6.45%和8.57%；虾青素产量达到71.92 mg/L，提高了61.73%（图5）。

【Case V】 

华东理工大学庄英萍、储炬团队，利用ARTP、紫外（UV）、LV (LiCl-UV)、VL (UV-LiCl)、LVL (LiCl-UV-LiCl)等不同方式对原壳小球藻（Chlorella protothecoides）进行诱变处理，ARTP正突变率达到30%，高于UV、LV、VL、LVL（图6、7），且操作更加简单、快捷。因此ARTP诱变技术作为本研究中唯一的手段进行后续研究。结果表明，经ARTP诱变处理的原壳小球藻，突变株油脂含量达到21.8%，与原始菌提高了1倍（原始菌株为10.2%）[7]，同时，该团队证实了该诱变育种流程不仅提高了筛选的效率还可靠且可行。





以上是五个ARTP诱变微藻育种的案例，足见ARTP育种技术在微藻（Microalgae）的育种具有很好的应用前景。而且ARTP诱变技术具有安全、简便、可控性、发散性好、突变体表型丰富等优点，随着ARTP诱变育种技术的改进与升级（见图8），相信ARTP在微藻菌种改良和育种中，将有巨大的应用潜力和更为广阔的应用空间。

参考文献：

[1] 倪学文. 海洋微藻应用研究现状与展望[J]. 海洋渔业（Marime Fisheries）,2005,27（3）:251-255.

[2] 金丽华.常压室温等离子体快速诱变微藻和产油酵母及其组学分析研究[J]. 清华大学,博士后研究报告.

[3]  Bin Liu, Zheng Sun, Xiaonian Ma, Bo Yang, Yue Jiang, Dong Wei, Feng Chen. Mutation Breeding of Extracellular Polysaccharide-Producing Microalga Crypthecodinium cohnii by a Novel Mutagenesis with Atmospheric and Room Temperature Plasma[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2015, 16(4):8201-8212.

[4] 艾江宁，姚长洪，孟迎迎，褚亚东，曹旭鹏，薛松. 生长速度快且油脂产率高的湛江等鞭金藻诱变株的筛选[J]. 微生物学通报，2015，42(1)：142-147.

[5] 曹旭鹏，艾江宁，刘亚男，周建男，吴佩春，薛松. 基于常压室温等离子体技术的金藻诱变筛选方法[J]. 中国生物工程杂志，2014，34(12)：84-90.

[6] 吴晓英，柳泽深，姜悦. 雨生红球藻等离子诱变及高产藻株的筛选[J]. 食品安全质量检测学报，2016，09（7）：3781-3787.

[7] 刘婷婷，王涛，杨翼，王泽建，庄英萍，储炬，郭美锦. 低场核磁共振技术快速检测小球藻油脂含量及其在高通量选育中的应用[ J ]. 生物工程学报，2016，32（3）：385-396.

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