小球藻蛋白质表达对环境因子响应的研究进展

时晓婷，窦勇，高金伟，贾旭颖，王晴晴，周文礼



小球藻蛋白质表达对环境因子响应的研究进展

时晓婷，窦勇，高金伟，贾旭颖，王晴晴，周文礼通信作者

（天津农学院水产学院天津市水产生态与水产养殖重点实验室，天津 300384）

小球藻是一类普生性单细胞绿藻，富含蛋白质、多糖、脂质、叶绿素、维生素等生物活性物质，其中的蛋白质是促进人类健康的主要营养组分。本文综述了培养条件、营养盐等环境因子对小球藻蛋白质表达的影响，阐述了小球藻蛋白质对环境因子的响应机制，以期为提高小球藻蛋白质含量和小球藻规模化生产提供借鉴。

小球藻；蛋白质；环境因子；响应

小球藻（）是一类普生性单细胞绿藻，直径约3～12 µm，呈椭圆形或球形。其种类繁多，生态类型多样，分布广[1]，其中椭圆小球藻（）、蛋白核小球藻（C）和普通小球藻（）是我国比较常见及广泛应用的种类[2]。小球藻细胞内生物活性物质更具有抗衰老、增强免疫力、促进细胞修复等功效，目前已广泛应用到医药、化妆品、保健品、食品及饲料等领域。国内外对小球藻的培养模式已有较多研究成果，而对小球藻环境因子响应的报道较少。本文综述了小球藻蛋白质单独与联合作用表达对不同环境因素（培养方式、氮源、光照）的研究进展及响应机制，为筛选高蛋白藻种及大规模培养做好铺垫。

1 小球藻蛋白质表达对环境因子的响应研究

1.1 小球藻中蛋白质表达对培养方式的响应

目前小球藻的培养方式有光合自养培养和异养培养两种类型，不同的培养方式既会影响其生长速率，也会影响其蛋白质含量及氨基酸组成。于贞等[3]证明，小球藻的自养培养既可利用自然光，也可利用人工光照，添加氮源、碳源和适量有机盐和微量元素可以很大程度上提高培养效果。Mostaf等[4]对自养和异养生长下普通小球藻的营养价值进行了评价，表明异养培养中蛋白质的含量略微降低。相对于自养培养方式，异养条件下脯氨酸和总自由氨基酸的组分显著增加。

曹云涛等[5]采用自养、异养和混合培养3种营养方式对普通小球藻进行了培养，结果表明：在高密度培养小球藻的条件下，获得高蛋白含量的最佳营养方式是混合营养，也是单位体积小球藻培养液中总蛋白质的产率高于其他培养方式。复杂的生态因子——光照，对微藻生长的作用因素主要包括光质、光强和光周期[6]，唐青青等[7]采用发光二极管调制不同光质的光谱，发现红蓝混光更有利于蛋白核小球藻蛋白质的积累。

潘欣等[8]研究发现：与自养培养相比，异养条件下蛋白含量有所下降，但在相同培养时间下，单位体积异养藻的收获量约为自养藻的20倍。因此，异养培养条件下单位体积小球藻单细胞蛋白的产量仍要高于自养小球藻。如在生产过程中，采用两步法培养将会在极大地提高藻细胞产量的同时，提高蛋白质的含量。杜宇[9]通过紫外线照射自养小球藻后发现，其可溶性蛋白质含量在变化方向不一致，其中蛋白质含量最高的诱变株高出对照9.96%。王子敬等[10]在异养条件下，发现温度在24～28 ℃内，小球藻蛋白质含量不断降低，但在pH 7.0条件下可以获得较高的蛋白含量。

1.2 小球藻中蛋白质表达对氮源的响应

氮源是小球藻积累细胞活性物质及新陈代谢的重要要素，许多研究者以不同含氮物质对小球藻进行培养，筛选出高蛋白藻株。李兴锐等[11]发现，氮浓度对小球藻生长及蛋白质含量的影响作用基本一致，一定范围内小球藻生物量及蛋白质含量随氮浓度的增加而增加。分阶段调控氮浓度即可获得高生物量，又可将小球藻蛋白质含量由37.4%提高至53.8%，达到自养小球藻蛋白质含量水平，能有效解决异养蛋白质含量低的问题。夏云峰[12]进行了不同营养盐浓度对小球藻合成油脂的作用试验，结果表明：在不同硝酸盐浓度水平，其蛋白质含量不同，当硝酸钠浓度高于0.5 g/L时，随着硝酸盐浓度的增加，蛋白质的含量也相应增加。当硝酸钠含量从0增至2.5 g/L时，蛋白质含量从29.42%增加到47.48%。

张玲等[13]以甘氨酸为氮源对小球藻进行周期培养，发现其蛋白质含量高于其他氮源培养，随着磷浓度的增加，其蛋白含量出现先增大后降低的变化。Boussiba和Vonshak认为，氮是用于连续合成色素蛋白质所必需的元素[14]。不同培养模式对微藻（）代谢与蛋白质组分的影响不同。微藻细胞内蛋白质含量不仅和氮的浓度有关，也与氮源的形态有相对的关系，一般对硝酸盐的吸收能力比铵盐大[15]。

1.3 小球藻中蛋白质表达对Fe3＋的响应

铁盐作为微量元素对小球藻的生长起到调控作用，刘志媛等[16]研究表明：当培养环境中缺 Fe3＋或Fe3＋浓度较低时，小球藻仍可利用细胞内糖类物质生长，但缩短对数期，进而导致小球藻细胞的死亡。杜宇[9]用筛选出的紫外线辐射诱变株小球藻作为试验材料，发现当Fe3＋浓度处于较低范围时，其可溶性蛋白质含量随着Fe3＋浓度的增加而逐渐增加，当浓度超过最适Fe3＋浓度时，反而造成可溶性蛋白质含量的下降。凌娜等[17]发现，随着Fe3＋浓度的增加，小球藻蛋白质和可溶性糖含量先升高后降低，当Fe3＋浓度小于25 µmol/L时，蛋白质和可溶性糖含量小于对照组，当Fe3＋浓度为25 µmol/L时，蛋白质和可溶性糖含量与对照组相比分别增加了11.72%和15.70%。有研究结果表明，Fe2＋较之Fe3＋表现出更强的藻利用效果，同样浓度下，藻的增殖速度更快，营养品质更高[18]。孙春晓等[19]的研究结果表明，N、P、Fe 3种营养源对微拟绿球藻的生物量和蛋白均有影响，其中Fe对蛋白质含量影响最大。

1.4 小球藻中蛋白质表达对环境因子的响应

刘世名等[20]发现，取适当浓度的化工厂产品（PP333）处理异养小球藻，能显著提高小球藻的蛋白质含量且含量接近自养水平。焉翠蔚等[21]研究表明，多效唑处理后的海洋微藻叶绿素a和蛋白质含量均有所提高。Bajguz Andrzej[22]研究发现，植物生长调节剂的加入对细胞中核酸和蛋白质的形成有一定促进作用。Margret Piorreck等[23]研究了小球藻培养基成分与藻体细胞中成分含量之间的关系，通过控制培养基成分从而获得了高蛋白小球藻。Ramazanov Arthur等[24]选出低淀粉含量的小球藻突变种，从而获得了富含蛋白质的小球藻优良品系。吕富等[25]研究了植物生长调节物质NAA（萘乙酸C12H10O2）对小球藻生长及叶绿素和蛋白质含量的影响，0.25～4.0 mg/L的奈乙酸浓度对其影响显著，且当奈乙酸质量浓度为2.0 mg/L时，能够很好地促进小球藻的生长并提高其叶绿素及蛋白质的含量。

吕富等[26]初步研究了水葫芦提取植物蛋白废液对小球藻生长、叶绿素和蛋白质含量的影响，结果表明，水葫芦提取植物蛋白的废液可极大地提高小球藻培养的经济价值，甚至可完全替代营养盐的添加。李昌灵[27]研究发现，盐胁迫造成C9-JN2010抗氧化性能增强，游离脯氨酸含量激增20倍。无盐时藻生长最佳，蛋白含量与产率均最高，其生物量为0.750 g/L，蛋白含量和产率分别为55.0%和68.40 mg/（L·d）。杜宇[9]用筛选出的Z-3诱变株小球藻为试验材料，发现不同盐浓度下培养，其小球藻蛋白质含量变化明显。

2 小球藻中蛋白质表达对环境因子的响应机制

虽然国内外对小球藻培养条件的研究已经很深入，但其响应机制尚未完全解释清楚。温度对藻细胞培养影响很大，温度变化能够改变藻类某些基因的表达，藻细胞在低温或高温环境下，会抑制胞内多种酶活性，降低部分抗氧化酶的活性，藻细胞内表达某种蛋白质的基因关闭，阻碍呼吸和光合电子的传递，失去代谢功能的调节平衡，从而导致蛋白含量降低[10,28-29]。异养条件下，为了满足快速生长，小球藻将更多的能量用于细胞的呼吸代谢，使增殖大大加快，分裂速度快于叶绿素和蛋白质的积累，这是造成小球藻生物活性物质品质下降的一个原因[10]。

培养基中C、N、P及微量元素都会对小球藻的生长及蛋白含量产生影响。营养盐充足时光合作用增强，碳的同化作用更多用于合成藻细胞生长所需的核酸、蛋白质及糖类等化合物，氮元素参与合成细胞中氨基酸、嘌呤、嘧啶、叶绿素和氨基糖等化合物[24]，当以铵盐、销酸盐及尿素等作为氮源培养微藻时，其吸收和利用能力完全不同，小球藻吸收转化硝态氮所需的转化途径和能量需求比小球藻吸收利用亚硝态氮和尿素有机氮的少，其原因是铵态氮的不断消耗，使培养液中pH逐渐下降，而培养液的pH值直接影响CO2在培养液中的溶解形态及浓度，进而影响小球藻的生长速率[12]。硫元素参与构成细胞内的一些氨基酸和蛋白质，可稳定蛋白结构[30]及具有抗氧化作用[31]。铁是微藻不可缺少的微量元素，是光合作用、生物固氮和呼吸作用中的细胞色素和非血红素铁蛋白的组成部分，在这些氧化还原过程中都起着电子传递的作用[19]。

NaCl胁迫培养小球藻，不仅可以促进细胞Pro、GSH及MDA等抗氧化物的合成，也可提高主要抗氧化的SOD、CAT及POD酶活性[23]。pH值能改变微藻体内相关酶的活性及结构状态，影响光合作用中CO2的可用性，在呼吸作用中影响微藻对有机碳源的利用效率，同时可以影响碳源的存在形式及转化，促进各种金属复合物的溶解性，是影响藻细胞次生代谢产物的重要因素[30-34]。

3 展望

不同环境因子对小球藻生物量的积累、活性成分、功效都有显著影响，面对环境资源不断减少的现状，小球藻作为新一代纯净绿色无污染的能源，很可能会在未来的生活中取代那些短缺能源，广泛应用到实际生活中。首先，利用工业污水来培养小球藻既可以处理水质、减少水源利用，又可以得到高营养价值的藻粉，为工农业、医药产业提供优良的能源；其次，培养的小球藻可大量吸收CO2，利用工厂废气中高浓度的CO2大规模培养微藻，可大幅减少工厂CO2的排放，缓解地球温室效应；再次，先进的培养模式大大减少土地占用量，可以最大程度上利用土地达到高效高产的目的。但未来关于小球藻的热点研究更多集中在如何利用小球藻去代替能源物质，继续深入探索其培养方式、营养源、工厂化生产、活性物质研究及提取等方面，小球藻生长及细胞活性物质积累的响应机制等疑难问题有待于进一步研究。

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Research Progress on Mechanism ofProtein Expression Responding to Environmental Factors

SHI Xiao-ting, DOU Yong, GAO Jin-wei, JIA Xu-ying, WANG Qing-qing, ZHOU Wen-liCorresponding Author

（Tianjin Key Laboratory of Aqua-ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

, a kind of spherical unicellular micro-algae under, itmight be rich in protein, lipid polysaccharides, chlorophyll and vitamins et al, the protein ofis a major component of nutrition for human health. This paper described the culture conditions, nutrients and the mechanism ofprotein expression responding to environmental factors, Which can provide for a reference for large-scale production and increased protein content of

; protein; environmental factors; response

S931.4

A

1008-5394（2016）03-0057-04

2016-01-05

天津市自然科学基金重点项目“小球藻CGF对细菌代谢产物胁迫的响应及天然抑制剂筛选”（JCZDJC293000）；天津市科技特派员项目“不同地区卤虫卵营养成分与孵化率的相关性研究”（14JCTPJC00470）；国家农业科技成果转化资金项目“超小褶皱臂尾轮虫高密度养殖关键技术产业化应用”（2013GB2A100018）；国家星火计划重大项目“海水工厂化健康养殖关键技术示范与推广”（2013GA610002）

时晓婷（1990-），女，辽宁大连人，硕士在读，主要从事渔业资源保护与环境修复方面的研究。E-mail：tjnxysxt@163.com。

周文礼（1969-），男，山东济宁人，教授，博士，主要从事海洋生境修复、海洋生态毒理学研究。E-mail：saz0908@126.com。