绿藻：生物能源潜在产量之王
不久的将来，汽车的燃油可能来自大自然的生物，比如玉米、大豆、菜籽、藻类等产油原料。
其中的藻类植物多分布在海洋、江河和湖泊中，近年来，一些藻类植物受到气候变暖的影响正大规模生长，甚至造成所在水域出现“绿色污染”，遭遇唾弃。然而，在能源领域藻类却是新型生物柴油的代表作物，并且广受重视。
日前，中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称青岛能源所)单细胞研究中心主任徐健带领研究人员，以微拟球藻为模式生物，较系统地阐明了高产油性状的遗传基础及进化机制，为高产油藻的筛选和育种提供了崭新的思路。
微藻产油一波三折
早在1912年，柴油机的发明者德国工程师鲁道夫·狄塞耳就给出预言：“植物油将成为引擎燃料。”
藻类作为能源作物的构想源于20世纪五六十年代的美国。徐健告诉《中国科学报》记者：“科研人员当年通过实验证明，在缺乏氮或硅等矿物质时，能刺激藻类产油，只是该研究并没有深入进行下去。”
转眼间20年过去，到了上世纪70年代早期，石油禁运导致全球油价一路高涨，美国能源部在这场危机的逼迫下开展了水生物种计划，初衷是希望利用藻类的生物质分解产生沼气与氢气。
在一系列实验之后，科研人员发现了部分能大量产油的藻类品系，因此生物柴油被列为研究的重心。科研人员从美国各地收集了三千多种藻类，测试它们在温度、盐度、酸碱度各异的水体中的产油能力，最终将研究对象锁定在绿藻和硅藻。
徐健指出：“受制于当时的研究工具和手段，产油藻类的研究主要集中在对物种认识的层面。”
当年，产油微藻的研究不得不止步于高昂的炼油成本。1995年的石油价格是每桶20美元。同期的藻类柴油成本在每桶59到186美元之间。“与化石燃料相比，藻类柴油不是很划算”。
任何能源要有效替代化石燃料，都必须克服两大难关——产量与成本。曾有研究表明，在每公顷土地上，玉米的年产油量120升，大豆年产油为440升，藻类达1.5万～8万升。
单位产量高，种植面积广，能量密度高，这三者让藻类成为生物能源的潜在产量之王，那么现在需要克服的是成本问题。
在过去近20年的时间里，科学家一直在探索如何降低成本，如今徐健带领团队的研究目的是希望在全基因组的层面，考察微藻产油性状的遗传规律和进化机制，为破解成本问题提供理论依据。
为何选择微拟球藻
细丝状的绿藻个体在某些情况下会形成球状集合体，外观看起来就像是绿色的毛线球，微拟球藻是一类球状的微藻。
微藻通过光合作用，在地球生物圈的碳固定、初级生物量积累和能量转化等方面发挥着重要作用。一些具有含油量高、生长速度快、抗逆性强等生理特征的微藻，具备规模生产生物柴油等可再生燃料的潜力。
微藻经过筛选和培育后，可获得性状优良的高含油量藻种，在适合的环境内吸收阳光、二氧化碳等，生成微藻生物质即富集油脂，经过人工分离采收集、浓缩等加工过程，最后转化为微藻生物柴油。其中，微拟球藻的油脂含量占干重比重达68%以上。
此外，微拟球藻还具备一些客观优势，比如可在多种地域和气候条件下进行室外规模培养、适应和利用电厂烟道气(二氧化碳)、甘油三酯(可用于制备生物柴油，)含量高、能生产不饱和脂肪酸如EPA(鱼油的主要成分)等高值保健品。
徐健向记者介绍：“微拟球藻是能用海水培养的主要能源藻种之一。我国海岸线长，利用海水培养能源微藻不与粮争地，因此具备巨大发展潜力。”
徐健的研究团队来自于青岛能源所新成立的单细胞研究中心。而研究对象微拟球藻多数是单细胞生物。“单个活体细胞是自然界生命活动的基本单元和进化的基本单位，利用单细胞研究中心的分析仪器和技术体系，将能够解析生命体系最深层次的异质性和运作机制”。
团队的研究指向微藻产油性状的遗传和进化机制，也为其在单个细胞尺度研究产油性状的调控机制和微进化规律奠定了基础。
研究遗传进化机制
“如何在海量的基因组数据中推导油脂合成基因的进化来源，这是我们在研究中遇到的困难之一。徐健表示。
为了避免基因组取样的偏好性，团队的分析囊括了目前已经发表在公共数据库中的所有基因组信息，并采取两种模型构建进化树，只有当两者均展现清晰的进化来源且相同时，才会被用来推断结论。
团队对分属五个种系的六个微拟球藻株的基因组解析和比较，发现在脂肪酸合成和组装途径上，多个关键功能酶基因的拷贝数显着增多，这促使微拟球藻高效合成甘油三酯。
“这些发现是首次针对一大类别的产油微藻，系统阐明了其产油性状的遗传多样性和进化机制，而且我们贡献的6个基因组包括了微拟球藻这一类群中所有已知种”。
由于产油微藻尚缺乏现成的模式研究体系，徐健团队的工作将推动一个新的微藻光合产油的系统生物学与合成生物学模式研究体系的确立。
微藻群体遗传学是一个新开拓的研究领域，团队在细胞网络和分子层面研究微藻油脂合成的调控机制提供共享数据，并将对国际微藻能源研究群体将产生一定影响。
虽然微藻产油目前还处于实验室研究阶段，但相比石油和煤炭等不可再生能源，微藻制油能让碳排放降为零，因此，徐健团队现在的研究是一项造福子孙后代的工作，未来将在海洋开辟出无边的“绿色油田”。（生物谷Bioon.com）
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