鱼腥藻7120遗传转化的研究进展

鱼腥藻7120作为模式生物被广泛用于光合、固氮、进化、代谢等基本生命现象的研究。近几年, 对其基因工程的研究使人们看到它在医药、环保、能源等方面的应用潜力, 但表达效率低是其发展的瓶颈。为了提高其表达效率, 研究者从鱼腥藻7120的载体(包括启动子、复制子、选择标记基因等)的改进、目的基因的优化(密码子和SD序列)、宿主的改善、转化方法的改变等方面进行了大量探索, 除了用于功能基因的研究, 已经有几十个外源基因在鱼腥藻7120中表达。除了研究载体, 诱变鱼腥藻7120形成有利于外源基因表达的突变体和摸索转基因蓝藻最佳生长条件和表达条件, 可能是新的发展方向。     

鱼腥藻PCC7120细胞液泡的初步研究

从保存３个月以上的老化培养物中直接检查到游离液泡。液泡为标准圆球状,完全透明,大小相差极为悬殊,多数大型液泡吞噬了数个衰老藻细胞。采用低渗酶解,渗透冲击,低渗酶解和渗透冲击相结合从培养３个月以上,２个月,１个月,１８ｄ,１０ｄ及２ｄ的藻丝细胞都分离到液泡。液泡略大于细胞,泡内无吞噬物。培养３ｄ的藻丝有１５％的细胞分离到液泡。其他多种蓝藻也分离到同样的液泡。     

几种因素诱导鱼腥藻7120短藻丝体的形成

丝状蓝藻鱼腥藻7120（Anabaena sp.PCC7120）中可成功表达外源基因,但其转化和表达效率不高,改变细胞的生理状态可能会影响外源基因的转化和表达效率。将鱼腥藻7120藻丝体通过几种因素诱导形成短藻丝体（具有25个左右细胞）,并对其光合活性进行了测定。结果表明：红光和高温对鱼腥藻7120短藻丝体较为有效,且红光诱导在48h时,短藻丝体细胞数占总细胞数的比例达到85％;DCMU单独诱导效果不明显,适当浓度的DCMU＋红光诱导时诱导效率略有增加;高温以45℃诱导12h比例最高,约达87％;高温45℃诱导时,对数生长后期的鱼腥藻7120较易形成短藻丝体。光合活性测定结果显示,诱导形成的短藻丝体光合放氧速率比正常营养藻丝体的低,这种具有光合放氧能力的短藻丝体显示出作为表达外源基因受体的可能性。     

在鱼腥藻7120中建立反义glnA系统

应用反义技术对鱼腥藻７１２０的内源ｇｌｎＡ基因的表达进行调控,首次获得了人工反义系统的蓝藻品系。先从编码谷酰胺合成酶的基因ｇｌｎＡ中取得部分结构基因片段,与表达质粒载体ｐＲＬ－４３９及穿梭质粒载体ｐＤＣ－８相连接。通过酶切鉴定筛选出反向克隆的穿梭表达质粒ｐＤＣ－ＡＴＧＳ,然后应用三亲接合转移法把它鱼腥藻７１２０。     

暹罗鱼腥藻空间飞行突变株的光合特性分析

对经空间飞行搭载而获得的暹罗鱼腥藻突变株的分析发现,与对照相比,它在生长率和光合效率方面明显较高。进一步分析其光合色素的组成,叶绿素荧光及PSII/PSI比值,发现突变株的PC/Chl比值明显低于对照藻株,而叶绿素荧光高于对照,PSII/PSI比值是对照藻株的1.7倍,在其它光合色素的比例上也有差异。分析这些结果表明,突变株与对照株在光合特征上有差异可能是突变株在色素系统的改变引起光能捕捉和光能利用上更为高效的原因。     

鱼腥藻Anabaena PCC7120原生质球和液泡的同步诱导

植物和真菌的液泡,都是通过原生质体途径被分离后才得以深入研究.要分离蓝藻液泡,首先要求制备蓝藻原生质体(球),而这一技术在蓝藻方面长期不过关.最近十年来,作者在这方面进行了不断的努力,先后在蓝藻原生质球制备1、培养再生和融合2等方面获得进展,这方面的研究导致了蓝藻液泡的重新发现3.所发现的液泡由无机盐诱导产生,经电镜检查为单位膜所包围,故确定为液泡.借助较为成功的原生质球制备技术,首先分离了无机盐诱导形成的液泡,在此基础上进一步发现和分离了非诱导液泡4,在分离非诱导液泡的试验过程中发现了原生质球和液泡的同步诱导作用.       

转基因鱼腥藻7120适宜生长条件的初步研究

以前的研究报导了将人肿瘤坏死因子基因(TNF-α)成功转入鱼腥藻7120中,这项研究在实验室小规模范围内探讨了其转TNF-α基因鱼腥藻7120的适宜生长条件。结果表明,转基因鱼腥藻7120最适生长温度在25～30℃,最适pH7.0～7.5。不同光照强度下的净光合放氧速率测定结果表明,转基因鱼腥藻7120与野生型具有一致的光饱和点和光补偿点,且适合在10～700μE.m-2.s-1下生长。外加有机碳源(4g/L葡萄糖)一定程度上可以增加转基因鱼腥藻7120生长速度。对不同藻龄转基因鱼腥藻7120中TNF-α的累积量的检测发现:生长8d左右时转基因鱼腥藻7120中TNF-α累积量达到最大值。这将为产业化生产、适时收获转基因蓝藻提供理论指导,同时讨论了葡萄糖对转基因鱼腥藻7120代谢的调节。     

植物生长调节剂对转基因鱼腥藻7120生长与外源基因表达的影响

适宜浓度的IBA、6-BA、赤霉酸和氯化胆碱均促进转基因鱼腥藻7120生长,提高其生物量,不影响外源基因表达,但从总体上讲高浓度植物生长调节剂则抑制藻细胞生长,降低外源基因表达水平.这些植物生长调节剂混合施用促进转基因鱼腥藻生长效果不如单一因子好,外源基因表达水平也略有下降.     

环境因子对转hGM-CSF基因鱼腥藻生长与光合的调节

以转hGM-CSF基因鱼腥藻7120为对象,分别探讨了温度、pH、光强等环境因子和外加碳、氮等基本营养源对转基因藻生长与光合活性的影响.结果表明:当基本环境因子为30℃、pH9.5和90μmol·m-2·s-1光强时,转基因藻生长最快.添加10mmol·L-1的NaHCO3或5g·L-1的葡萄糖对转基因藻的光合活性促进最大;但外加氮源却抑制了转基因藻的光合活性.     

鱼腥藻PCC7120基因a115292和alr0647的初步研究

通过BLAST软件分别对藻胆蛋白裂合酶（biliprotein lyase）编码基因cpcS和cpcT进行同源搜索分析,在鱼腥藻（Anabaena）PCC7120中获取了同源基因all5292和alt0647。同源分析发现,这两个基因所编码氨基酸序列与其相对应的裂合酶氨基酸序列相似程度分别达到53．4％和61．4％。随后,对这两个基因进行了初步研究。结果显示：All5292和Alr0647无论单独还是共同表达均没有裂合酶催化藻蓝胆素PCB结合到藻蓝蛋白（phycocyanin）或藻红蓝蛋白（phycoerythrocyanin）β亚基上的功能。通过在不同生理条件下对鱼腥藻PCC7120的培养,还对这两个基因的调控表达进行了初步的探索。结果表明：all5292和alr0647的表达与氮源的缺乏与否有联系,在氮胁迫条件下两个基因均进行了转录而在氮源充足的情况下则没有表达。     

蓝藻Anabaena sp.PCC7120 羧体碳酸酐酶的鉴定

在丝状蓝藻Anabaena sp.PCC7120细胞粗提液的碳酸酐酶(CA)分析中,发现了两种形式的CA活性.高CO_2下生长的细胞,在35μmol/L EZ(Ethoxyzolamide,碳酸酐酶的抑制剂)存在的情况下,CA总活性的85％左右被抑制,其半抑制浓度I_(50)为7.4μmol/L;随着EZ浓度的继续增加,CA活性在EZ浓度达到约150μmol/L处出现了第二个抑制峰,在250μmol/L处抑制程度达到最大,使CA总活性的15％被抑制,其半抑制浓度I_(50)为190μmol/L。在空气条件下生长的细胞中也出现了CA的两个抑制峰:低I_(50)为6μmol/L,高I_(50)为120μmol/L,对羧体的分离及体外测试表明,在羧体制备物中的CA活性只有一个EZ的抑制峰,而且在EZ浓度达到35μmol/L,正如所期望的那样,该CA活性全部被抑制。其半抑制浓度I_(50)为5.2μmol/L左右。这个值跟空气或高CO_2条件下生长的细胞粗提物中的低I_(50)(6μmol/L或7.4μmol/L)十分相似。说明低浓度的EZ可以特异性地抑制定位于羧体的CA活性。另外一种形式的CA,具有高I_50(120—190μmol/L),约占CA总活性的15—20％,则有可能定位于细胞质膜。     

外源Ca2+对模拟微重力环境中鱼腥藻细胞质膜透性和光合特性的影响

以鱼腥藻为材料,研究了外源Ca^2 对模拟微重力环境中微藻细胞膜透性的影响。实验结果表明：提高培养基中的Ca^2 浓度可减轻由模拟微重力造成的膜透性增大,有助于稳定细胞膜结构和功能。同时,外源Ca^2 降低了藻细胞光系统Ⅱ（PSⅡ）的光化学效率（以荧光参数Fv/Fm 表示）下降的由度,表明外源Ca^2 对模拟微生重力环境下鱼腥藻细胞光合作用的损伤,有良好的防护效应。     

生物反应器培养转基因鱼腥藻的研究

在反应器中研究了转人TNF-α基因鱼腥藻7120(Anabaena sp．PCC7120,pDC-TNF)的培养。结果表明气升式反应器适合于转基因鱼腥藻的培养。气升式反应器中通气量和光照是主要的影响因素,观察到1L罐中最适通气量为60～75L／h,最适光照强度为1200lx,此时在25℃混养,光照时间／黑暗时间为12h／12h,15d生物量干重大于3g／L,TNF表达水平约占总可溶蛋白的22％,达到了摇瓶培养水平。实验发现添加维生素B1 300μg／L、B12 200μg／L和生物素4μg／L时,生产周期为12d,缩短20％,表达水平相同。培养过程通入含有5％CO2的空气,能促进生长,缩短生产周期,但收获生物量不受影响。从添加维生素和通入CO2的培养结果证明反应器中培养时,光照是限制性因素,当反应器系统一定时,最终生物量有一个最大值,如需进一步提高产量,必须设法改变光照系统。     

转TNF-α基因鱼腥藻7120质粒稳定性研究

为了实现转基因鱼腥藻培养生产TMF的目的,讲究了转基因鱼腥藻的稳定性。影印法证实转TNF-α。基因鱼腥藻7120能保持质粒分配稳定性。比较无选择压力下连续传代的转丛因鱼醒藻7120在不同培养基中的生长和外源基因表达,证实没有发生质粒部分缺失,但转基因鱼腥藻在无选择压力下会降低重组质粒拷贝数。在培养过程中,种子培养越含有的新霉素可以保持生产过程质粒稳定,这可以大火减少新霉素用量。     

DIFFERENTIAL RESPONSES OF ANABAENA SP. PCC 7120 (CYANOPHYCEAE) CULTURED IN NITROGEN‐DEFICIENT AND NITROGEN‐ENRICHED MEDIA TO ULTRAVIOLET‐B RADIATION1

Stratospheric ozone depletion increases the amount of ultraviolet‐B radiation (UVBR) (280–320 nm) reaching the surface of the earth, potentially affecting phytoplankton. In this work, Anabaena sp. PCC 7120, a typically nitrogen (N)‐fixing filamentous bloom‐forming cyanobacterium in freshwater, was individually cultured in N‐deficient and N‐enriched media for long‐term acclimation before being subjected to ultraviolet‐B (UVB) exposure experiments. Results suggested that the extent of breakage in the filaments induced by UVBR increases with increasing intensity of UVB stress. In general, except for the 0.1 W · m^?2 treatment, which showed a mild increase, UVB exposure inhibits photosynthesis as evidenced by the decrease in the chl fluorescence parameters maximum photochemical efficiency of PSII (F_v/F_m) and maximum relative electron transport rate. Complementary chromatic acclimation was also observed in Anabaena under different intensities of UVB stress. Increased total carbohydrate and soluble protein may provide some protection for the culture against damaging UVB exposure. In addition, N‐deficient cultures with higher recovery capacity showed overcompensatory growth under low UVB (0.1 W · m^?2) exposure during the recovery period. Significantly increased (～830%) ATPase activity may provide enough energy to repair the damage caused by exposure to UVB.     

鱼腥藻PCC7120基因组中一个影响异形胞发育和图式形成的新区域

以Tn5 10 87b诱变鱼腥藻PCC712 0 ,筛选不能利用氮气生长、异形胞图式发生变化的突变株。突变株 # 180 1经缺氮诱导 2 4h后无异形胞形成 ,48h后沿藻丝形成少量成熟异形胞 ,占藻细胞总数比例为 2 .8% ,其异形胞发育速度和形成频率均与野生型有显著区别。以ClaⅠ酶切该突变株总DNA、自环化后以电泳冲法转化大肠杆菌 ,回收带有插入位点两侧DNA片段的转座子Tn5 10 87b。经测序确定转座子位于未知功能基因alr0 0 99第 14 8和 14 9碱基之间。为证明突变性状确由alr0 0 99内的插入突变引起而不是由于其他二次突变 ,通过同源双交换将含新霉素抗性基因的C .K2片段定向插入基因组中alr0 0 99的EcoRV位点 ,获得重构的鱼腥藻突变株DR2 14 ,其表型与原突变株 # 180 1相同。以上结果表明alr0 0 99或其下游基因是鱼腥藻PCC712 0基因组中与异形胞发育和图式形成相关的一个新区域。     

温度对普通小球藻和鱼腥藻生长竞争的影响

通过室内实验研究了不同温度条件下主要水华藻类鱼腥藻(Anabaena sp. strain PCC)和常见淡水藻类普通小球藻(Chlorella vulgaris)的生长和种间竞争, 结果表明在单种培养和共同培养体系中, 普通小球藻的最大藻细胞浓度随着温度的升高而增加; 鱼腥藻生长最适温度为3035℃。温度对藻类种间竞争抑制参数能够产生明显影响, 鱼腥藻在温度为15℃时对普通小球藻的竞争抑制参数最大, 分别是25℃、30℃、35℃时的1.24倍、1.14倍和1.12倍; 而普通小球藻在30℃时对鱼腥藻的竞争抑制参数最大, 分别是15℃、25℃、35℃条件下的4.25倍、2.03倍和1.20倍。在4个试验温度下普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数均大于鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数。根据Lotka-Volterra竞争模型可推断, 在4个温度条件下, 普通小球藻和鱼腥藻在竞争中不稳定共存。       

转基因鱼腥藻培养中培养液吸光度与生物量的关系

对转基因鱼腥藻Anabaena sp.PCC7120,培养液的吸光特性进行了研究,在可见光范围内,有5个吸收峰,波长分别为345nm,410nm,440nm,635nm,685nm,其中440nm是最大吸收波长,一定稀释度范围内,在各波长下,培养液中藻干重与吸光度均成正比,但不同培养基其干重－吸光度标准曲线不同,实验得到不同培养基的标准曲线,证明可以用比浊法测定转基因鱼腥灌培养过程的生物量。