硅藻是一类自养的单细胞真核藻类，能够高效的将太阳能转化为化学能贮存起来，是主要的初级生产者，约占海洋总固碳量的40%，为地球提供了20%的初级生产力，相当于整个热带雨林的净初级生产量。三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）是硅藻研究的模式种，在特定的环境条件下以油脂（主要是甘油三酯，TAG）的形式将碳和能量储存起来。目前认为它仅有无性生殖方式，具有生长快、易培养、单位面积产油量高等优点，是极具潜力的生物柴油原料。 

　　真核生物TAG的合成主要有两种途径：依赖于酰基辅酶A的从头合成途径和不依赖于酰基辅酶A的合成途径，分别由二酰甘油酰基转移酶（DGAT）和磷脂:二酰甘油酰基转移酶（PDAT）催化。近日，中国科学院水生生物研究所胡晗华研究员课题组揭示了三角褐指藻PDAT等位基因依赖表达和功能差异调控其碳储存和生长的新机制。该研究发现，三角褐指藻Pt1株系PDAT等位基因的编码区存在47个单核苷酸位点变异（SNVs）。对已发表的87个转录组数据分析显示，其中一个等位基因（PDAT Allele 2）的表达在氮限制条件下被特异性地诱导（图1）。 

图1 不同培养条件下三角褐指藻PDAT的表达水平

　　在三角褐指藻中特异性地过量表达等位基因PDAT Allele 2可以在营养限制条件下使细胞中的TAG含量提高44~74%；而过量表达另外一个等位基因PDAT Allele 1几乎不影响细胞中的TAG积累，却严重地限制了细胞的生长（图2）；这表明两个PDAT等位基因编码的蛋白质具有不同的功能。 

图2 过量表达三角褐指藻两个PDAT等位基因对生长、氮利用和TAG积累的影响

　　酵母中异源表达分析显示，等位基因 PDAT Allele 2编码的氨基酸有TAG合成的活性，而等位基因 PDAT Allele 1编码的氨基酸几乎没有TAG合成的活性，N端的7个和C端的3个氨基酸变异对二者的活性有显著影响（图3）。对PDAT基因敲除藻株进行脂质组分析，发现三角褐指藻PDAT主要以单半乳糖甘油二酯（MGDG）和磷脂酰胆碱（PC）作为酰基供体，这与其叶绿体最内层膜定位特性相符。该研究揭示了由等位基因编码的PDAT在介导碳储存和生长以应对氮胁迫方面的不平衡作用，并提出了提高脂质含量和生物量的基因工程新策略。 

图3 PDAT等位基因编码的氨基酸活性及结构分析

　　上述研究成果以“Allele-dependent expression and functionality of lipid enzyme PDAT affects diatom carbon storage and growth”为题发表在Plant Physiology杂志上，胡晗华研究员为该论文的通讯作者，高级实验师潘玉芳为论文的第一作者。北京大学刘进研究员团队及法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Eric Mar chal教授团队参与了此项工作。该研究得到了国家自然科学基金（41976119,42376131和31800302）和中国科学院国际合作局国际伙伴计划（075GJHZ2022014MI）等项目的资助。文章链接为https://doi.org/10.1093/plphys/kiad581。