大连化物所能源生物技术研究取得新成果

大连化学物理研究所,2012-10-10

中科院大连化学物理研究所赵宗保研究员领导的生物质高效转化研究组（1816组）在能源生物技术领域取得新进展。这项关于产油真菌圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides的跨组学研究成果，于10月9日正式发表在《自然—通讯》上（Nat. Commun. 2012, 3:1112. doi:10.1038/ncomms2112）。

将可再生的生物质资源转化为液体燃料产品是具有挑战性和重要战略意义的研究方向。自2004年以来，生物质高效转化研究组一直致力于“生物质制生物柴油”研究，其核心技术是利用产油酵母将碳水化合物转化为油脂。研究组在生物质原料处理与转化、菌株选育、发酵过程工程等方面取得了系列成果，并发现产油酵母R. toruloides抗逆性强，碳源利用谱广，胞内油脂富含16或18个碳原子的长链脂肪酸，总脂含量可超过细胞干重70%，整体性状优良。但是，理性改造R. toruloides以提升油脂发酵的技术经济性遇到了很大困难。这是因为，一方面R. toruloides属于担子菌门非常规酵母，与其他子囊菌门微生物（如酿酒酵母、毕赤酵母及解脂亚罗酵母等）相比遗传差异显著；另一方面，当前国际上关于产油真菌的研究整体上不够深入和系统，缺少高质量的基因组信息。

该研究组使用高通量测序技术，对R. toruloides进行了全基因组测序，得到20.2 Mb的基因组，并在转录组测序技术辅助下预测了8171个蛋白编码基因，进行了基因功能注释，形成了高精度的参考基因数据库。进一步采用比较转录组和比较蛋白质组方法，研究了氮缺乏导致油脂过量积累的原因。前者通过数字基因表达谱技术鉴定出2030个在不同培养条件下转录产物丰度差异显著的基因；后者则通过与大连化物所邹汉法研究员领导的生物分离分析新材料与新技术研究组（1809组）合作，采用液相色谱-串联质谱技术进行蛋白质组定性和半定量分析，确定了538个丰度显著变化的蛋白。分析表明，氮缺乏上调了与氮源利用有关基因的表达，增强了自噬能力，整体提高了细胞氮源利用效率，同时下调核酸与蛋白合成，并且表达油脂合成代谢相关基因受到多种水平的调控，说明油脂积累涉及细胞全局性的生理生化响应。

该项成果将促进相关的能源生物技术研究快速发展，其重要意义将体现在以下几个方面：1）为利用系统生物学技术揭示微生物油脂积累的分子机制奠定了基础；2）为理性改造产油酵母菌株提供了生物信息和遗传操作靶点；3）为设计细胞工厂，利用脂肪酸代谢及异戊烯代谢途径生产生物燃料及化学品提供了新信息和新材料。

该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和大连化物所所长基金的资助。

论文链接：A multi-omic map of the lipid-producing yeast Rhodosporidium toruloides