微藻育种与培养研究概况

微藻类的天然产物具有广泛的遗传变异和潜在的经济价值,但是这些天然产物的获取还依赖于品种的改良和适宜的培养条件。本文概括性地论述了微藻的遗传育种和优化培养。它包括微藻类的遗传多样性、选择育种、诱变育种、细胞融合、基因工程以及固定化培养和生物反应器的应用。这些生物技术为微藻类的利用开辟了广阔的前景。     

固定化藻类细胞的制备和应用

自1940年以来,世界上一些国家对藻类培养以及有关实验室和室外规模的研制工作报道日益增多。这些研究激起了这些国家和私人企业的投资热。由于藻类的多种用途,对藻类的开发生产及其代谢产物的研究引起了人们的     

一个四倍体杂种——兴国红鲤(Cyprinus carpio L.)×草鱼(Ctenopharyngoden idella Cuv. et Val.)

在自然界中,存在一些天然多倍体鱼类,如银鲫和某些鳉科鱼类5,这些事实引起了鱼类遗传育种界的重视,启发人们去进行多倍体育种的探索。       

新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室

依托塔里木大学建设的“新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室”位于塔里木盆地腹地新疆阿拉尔市,于2004年6月成立。实验室以“环塔里木生物多样性”为主要研究对象,重点围绕“南疆特色果树种质资源与遗传育种、特殊微生物及其基因资源开发利用、荒漠植物生物多样性保护与环境重建、天然产物分子结构与功能”四个研究方向从事应用基础科学研究。在功能重组和合理架构的过程中,形成了果树种质资源研究室、果树遗传育种研究室、应用微生物研究室、生物多样性研究室、天然产物研究室、分子生物学研究室、分析测试室、植物组织培养及种苗繁育基地、化学工程及大规模发酵中试基地的“七室两基地”的研究单元。     

基于CRISPR/Cas系统的天然产物生物合成基因簇克隆和编辑技术

合成生物学和基因组测序技术的快速发展使挖掘和高效合成天然产物进入了一个全新的时代。由于多数原始菌株生长缓慢、难以培养及遗传改造困难等问题,导致天然产物生物合成基因簇的激活和高效表达受到严重制约。基于此,将原始菌株来源的基因簇转移到操作简便、遗传背景清晰的模式宿主中进行异源表达成为天然产物发现和产量提高的一种有效手段。其中,基因簇的克隆与编辑是实现天然产物异源表达的一个主要限速步骤。CRISPR/Cas技术的应用极大地提高了大型基因簇克隆和编辑的效率,有效促进了微生物来源新药的发现。本文针对基于CRISPR/Cas开发的基因簇克隆和编辑技术进行了系统梳理和全面总结,探讨相关技术在天然产物挖掘和高效合成中的应用及其重要意义。     

尾叶桉(Eucalyptus urophylla)第一代育种群体的遗传多样性

本研究利用中性微卫星标记分析了尾叶桉第一代育种群体的遗传多样性水平和遗传结构。Hardy-Weinberg平衡检测表明尾叶桉第一代育种群体各天然种源内存在明显的杂合子缺失现象。标记和种源的遗传多样性参数统计都表明,尾叶桉育种群体各天然种源具有很高的遗传多样性。分子方差分析显示,尾叶桉育种群体的大部分遗传变异来自家系间,种源间的遗传变异分量很低,该结论被种源间很低的遗传分化水平再次佐证。尾叶桉育种群体内的亚群体分类(Structure分析)与各天然种源的地理分布不存在联系,但群体的内亚群体分类和基于Nei遗传距离的聚类比较吻合。本研究结论可为尾叶桉高世代的群体改良和优良杂交种亲本选配提供遗传基础信息。     

微生物来源天然产物中的β-甲基色氨酸单元及其生物合成研究进展

微生物在次级代谢过程中通常会产生结构复杂、活性多样的天然产物。这些天然产物是新药发展的基础,亦可作为先导化合物或重要的药效基团用于药物研发。结构多样的氨基酸单元是参与合成复杂多样天然产物的重要前体。天然产物中的β-甲基氨基酸单元不仅可以赋予其生物活性,还能增强其生物稳定性而不被肽酶水解。本文综述了含有β-甲基氨基酸单元的天然产物,尤其对含有β-甲基色氨酸单元的天然产物生物合成途径进行了阐释。对β-甲基色氨酸单元生物合成途径的理解结合基因组数据有助于进行新结构天然产物的挖掘,并为运用代谢科学理念和合成生物学技术开发含有该单元的新化合物提供理论基础和可操作遗传元件。     

植物源溶藻化合物研究进展

由于硫酸铜等传统杀藻剂在环境中残留期长、选择性差、容易造成二次污染等,因此其应用受到限制。天然产物和以天然产物为基础的化合物由于其环境友好,对有害藻类选择毒性强,因此在有害藻华防治方面受到越来越多的关注。植物是天然溶藻化合物的重要来源之一。近几十年来,从植物代谢产物中发现了各种类型的溶藻化合物,诸如甘油糖脂类、酚类、生物碱和萜类等,从这些天然产物中可能筛选到对有害藻华选择性好、溶藻活性强的杀藻剂。本文对植物源的各类溶藻化合物研究概况进行综述,以促进植物源杀藻剂的研究。     

甲基转移酶在微生物合成天然产物中的应用

甲基转移酶(Methyltransferases,MTs)普遍存在于所有生物有机体中,通常以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体催化底物的甲基化反应,在基因的表达调控和许多天然化合物的合成中起着至关重要的作用。近年来,在微生物中异源表达MTs以实现一些重要天然产物的生物合成取得了巨大的进步,但迄今为止这方面的研究还没有得到详细和全面的总结。文中综述了MTs在微生物合成苯丙烷类化合物、香料类化合物、激素和抗生素等重要天然产物的最新研究进展,重点阐述了应用代谢工程策略高效合成这些甲基化的天然产物,以及利用MTs拓展天然产物分子多样性的研究进展。最后,探讨了MTs应用于微生物合成天然产物所面临的挑战,并对利用MTs进一步高效生产结构和生物活性多样化的天然产物进行了展望。     

微生物来源天然产物中的β-甲基色氨酸单元及其生物合成研究进展

微生物在次级代谢过程中通常会产生结构复杂、活性多样的天然产物。这些天然产物是新药发展的基础,亦可作为先导化合物或重要的药效基团用于药物研发。结构多样的氨基酸单元是参与合成复杂多样天然产物的重要前体。天然产物中的β-甲基氨基酸单元不仅可以赋予其生物活性,还能增强其生物稳定性而不被肽酶水解。本文综述了含有β-甲基氨基酸单元的天然产物,尤其对含有β-甲基色氨酸单元的天然产物生物合成途径进行了阐释。对β-甲基色氨酸单元生物合成途径的理解结合基因组数据有助于进行新结构天然产物的挖掘,并为运用代谢科学理念和合成生物学技术开发含有该单元的新化合物提供理论基础和可操作遗传元件。     

富油脂微藻育种技术研究进展

微藻因生长迅速、光合作用效率高、分布范围广和油脂积累能力强等优势,已被认为是生产生物柴油的理想原料。诱变育种可改善野生型微藻生长缓慢、油脂含量低和环境适应能力弱等缺陷,提高了以微藻生产生物柴油的可行性。概述了物理、化学和基因工程三类诱变育种方法的研究现状,介绍了低场核磁共振和荧光激活细胞分选两种富油脂微藻筛选技术以及一种测定诱变藻株致死率的方法,讨论了三种诱变方法的应用前景,供相关研究人员参考。     

Effect of nutrient supply status on biomass composition of eukaryotic green microalgae

In eukaryotic green microalgae, manipulation of metabolic pathways by altering the culture medium and/or culture conditions represents a powerful tool for physiological control and is usually more practicable than metabolic or genetic engineering. Strategies for nutrient-induced shifts in biomass composition are generally cost-efficient, environmentally friendly, applicable on a large scale and flexible for various industrially attractive microalgae species. In addition, processes, such as nutrient limitation/deprivation, can be readily scheduled and optimised to achieve high levels of productivity for the desired target compound(s). These strategies are currently used in microalgae to achieve overproduction of metabolites such as lipids, polysaccharides and pigments. This paper presents an overview of the species and strain-specific responses of eukaryotic, green microalgal cells that are triggered by variations in selected macronutrient and micronutrient availability. Individual and mutually associated physiological responses to nutrient supply status are described at the molecular level as well as discussed from the perspective of potential biotechnological applications.     

微藻生物柴油技术的研究现状及展望

微藻生物柴油是一种优良的可再生新能源,对于解决人类面临的能源短缺和全球变暖两大危机具有潜在的重大战略意义。综述了微藻生物柴油的技术流程、油脂含量较高的微藻藻种、微藻生物柴油的最大技术瓶颈、提高微藻油脂总产量的方法、微藻的大规模培养、微藻的采收和微藻生物柴油的制取等方面的研究现状,并对微藻生物柴油未来的核心研究方向提出了初步见解。     

The potential of microalgal biotechnology: a review of production and uses of microalgae

An overview of the various aspects, promises and limitations of microalgal biotechnology is presented. The factors of importance in microalgal cultivation as well as the culture systems are briefly described. Microalgal biomasses can fulfil the nutritional requirements of aquatic larvae and organisms. The biochemical composition of algae can be improved by the manipulation of culture conditions. The nutritive value of the microalgal biomasses for human and animal consumption is also commented upon as well as some socio-economical aspects. Among the sources of required nutrients (N, P), wastewaters and manures can upgraded as culture media for microalgae the safety of which has to be evaluated. Harvesting of the biomass is one of the bottlenecks. The various techniques, physical, physico-chemical and biological are outlined and their feasibility and economic interest examined. Microalgal biomasses can be submitted to various technological transformations. Various processes are reviewed in the light of their effects on safety and nutritional value. The possible extraction of fine chemicals and the preparation of protein concentrates is also reported on. The various uses of microalgae lead to a possible competition, to be evaluated, between systems for the production of food, energy and chemicals. The review finally covers the application of genetic manipulation to microalgae.     

Valuable products from biotechnology of microalgae

The biotechnology of microalgae has gained considerable importance in recent decades. Applications range from simple biomass production for food and feed to valuable products for ecological applications. For most of these applications, the market is still developing and the biotechnological use of microalgae will extend into new areas. Considering the enormous biodiversity of microalgae and recent developments in genetic engineering, this group of organisms represents one of the most promising sources for new products and applications. With the development of sophisticated culture and screening techniques, microalgal biotechnology can already meet the high demands of both the food and pharmaceutical industries.By continuing the works and ideas of Dr. Gross, that he could not proceed by himself due a tragic fate in the year 2003, we will keep his place in future not only in the research community but also among all colleagues and other persons who knew him.     

矮牵牛育种研究进展

从常规育种、基因工程育种、体细胞育种和单倍体育种4个方面评述了矮牵牛(Petunia hybrida Vilm.)育种研究进展.国外对矮牵牛育种研究较多,新品种面世推陈出新,国内对其研究则较为薄弱.其常规育种最为成功,不断有新品种推出,基因工程育种也取得了一定成就,已有新品种面世,而体细胞育种及单倍体育种尚无新品种产生,但对这两种方法在育种上应用的可能性和前景作出了一定探索.     

矮牵牛育种研究进展

从常规育种、基因工程育种、体细胞育种和单倍体育种4个方面评述了矮牵牛(Petunia hybrida Vilm.)育种研究进展。国外对矮牵牛育种研究较多,新品种面世推陈出新,国内对其研究则较为薄弱。其常规育种最为成功,不断有新品种推出,基因工程育种也取得了一定成就,已有新品种面世,而体细胞育种及单倍体育种尚无新品种产生,但对这两种方法在育种上应用的可能性和前景作出了一定探索。     

微藻两阶段培养技术研究进展

微藻细胞富含油脂、淀粉及其他高值代谢物,可用于食品、饲料、化学品和能源的生产。但在规模化培养中,微藻的高生长速率和高产物含量难以兼得,制约了其商业化应用。通过微藻的两阶段培养技术可以将生长和产物积累的时期分离,从而同时获得较高的微藻生物量和产物含量。该技术具有产品得率高、节能减排、适用范围广的优点,是推进微藻商业化的关键之一。本综述总结了现有微藻两阶段培养技术的优势和产品类型,解析了目前微藻两阶段培养技术的限制因素及发展前景,并提出微藻两阶段培养中存在阶段转换时间尚不明确、中间采收步骤成本高这两个限制该技术应用的关键瓶颈,从而为未来微藻两阶段培养技术规模化生产方案的科学决策与实施提供参考。     

Strategies to enhance production of microalgal biomass and lipids for biofuel feedstock

ABSTRACT

Microalgae have enormous potential as feedstock for biofuel production compared with other sources, due to their high areal productivity, relatively low environmental impact, and low impact on food security. However, high production costs are the major limitation for commercialization of algal biofuels. Strategies to maximize biomass and lipid production are crucial for improving the economics of using microalgae for biofuels. Selection of suitable algal strains, preferably from indigenous habitats, and further improvement of those ‘platform strains’ using mutagenesis and genetic engineering approaches are desirable. Conventional approaches to improve biomass and lipid productivity of microalgae mainly involve manipulation of nutritional (e.g. nitrogen and phosphorus) and environmental (e.g. temperature, light and salinity) factors. Approaches such as the addition of phytohormones, genetic and metabolic engineering, and co-cultivation of microalgae with yeasts and bacteria are more recent strategies to enhance biomass and lipid productivity of microalgae. Improvement in culture systems and the use of a hybrid system (i.e. a combination of open ponds and photobioreactors) is another strategy to optimize algal biomass and lipid production. In addition, the use of low-cost substrates such as agri-industrial wastewater for the cultivation of microalgae will be a smart strategy to reduce production costs. Such systems not only generate high algal biomass and lipid productivity, but are also useful for bioremediation of wastewater and bioremoval of waste CO₂. The aim of this review is to highlight the advances in the use of various strategies to enhance production of algal biomass and lipids for biofuel feedstock.     

生物技术用于黄瓜遗传育种

“十五”期间,生物技术在黄瓜遗传育种上的应用更加广泛,分子标记辅助育种、单倍体育种以及黄瓜基因工程改良取得了重要进展。本文综述了黄瓜基因分子标记、遗传图谱构建、基因定位、基因克隆与表达、品种DNA指纹图谱分析、分子技术鉴定病害、单倍体和三倍体培养、遗传转化体系建立及基因工程改良方面的最新进展,并讨论了存在的问题和前景。