PDAT reguliert Phosphatidylethanolamin als transiente Kohlenstoffsenke-Alternative zu Triacylglycerol in Nannochloropsis

Nannochloropsis ist eine Gruppe einzelliger Eukaryoten, die zur Klasse Eustigmatophyceae gehören. Derzeit gibt es sieben identifizierte Arten in dieser Gattung, die eine hohe photosynthetische Effizienz, einen hohen Biomasse- und Ölgehalt (Triacylglycerol oder TAG) aufweisen und reich an Eicosapentaensäure (EPA) sind, was sie zu hochwertigen Rohstoffen für die industrielle Produktion von EPA macht .

Nannochloropsis oceanica wurde aufgrund seines schnellen Wachstums und seines hohen Lipidgehalts als industriell wichtige Einzelzellfabrik für die Lipidproduktion anerkannt. Sein Genom enthält bis zu 13 Acyl-CoA:Diacylglycerol (DAG)-Acyltransferasen (NoDGATs), die zur Stress- und Nicht-Stress-assoziierten TAG-Biosynthese beitragen, und wirft die Frage auf, ob die einzigartige N. oceanica Phospholipid:DAG-Acyltransferase (NoPDAT) entscheidend ist, und unter welchen Bedingungen und in welchem ​​Umfang es zur TAG-Biosynthese beiträgt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Hu Hanhua vom Institut für Hydrobiologie (IHB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften befasste sich kürzlich mit der Funktion und physiologischen Rolle von NoPDAT in N. oceanica. Die Studie wurde veröffentlicht in Pflanzenphysiologie.

Das Team von Prof. Hu führt seit mehr als zehn Jahren eine Reihe von Grundlagenforschungen zu den oben genannten Algenstämmen durch. Sie etablierten zunächst ein effizientes genetisches Transformationssystem auf der Grundlage von Polymerase-Kettenreaktionsprodukten und ein Gen-Knockdown-System auf der Grundlage von RNA-Interferenz in allen sechs Meeresarten.

Die hocheffiziente genetische Transformation auf Basis der Elektroporation gelang den Forschern durch chemische Vorbehandlung in Nannochloropsis limnetica, der einzigen Süßwasseralge dieser Gattung.

Sie fanden heraus, dass sich NoPDAT an der äußersten Plastidenmembran befindet, dem endoplasmatischen Retikulum der Chloroplasten. Basierend auf genetischen Analysen trägt NoPDAT mindestens 30 % zur TAG-Biosynthese unter stickstofflimitierten Bedingungen bei, und NoPDAT-Knockdown hat keinen Kompensationsmechanismus über DGATs ausgelöst.

Durch die halbquantitative Dünnschichtchromatographie-Analyse polarer Lipide fanden die Forscher auch heraus, dass der NoPDAT-Knockdown zu einer enormen Akkumulation einer neuen Klasse von Phosphatidylethanolaminen (PEs) in Zellen führt, und dieses spezielle PE enthält 16:0, 16:1, und 18:1-Fettsäuren (als „LU-PE“ bezeichnet) unterscheidet sich von den intrazellulären funktionellen PEs, die mehrfach ungesättigte Fettsäuren (C20:4 und C20:5) enthalten.

Darüber hinaus war der Gehalt an intrazellulärem LU-PE signifikant positiv mit der Kohlendioxid (CO2)-Konzentration in der Kultur korreliert.

Ergebnisse der Überexpression und/oder des Knockdowns von Genen, die an der PE-Homöostase beteiligt sind, zeigten, dass die LU-PE-Akkumulation in N. oceanica nicht mit diesen Genen verbunden ist und dass NoPDAT allein für die beobachtete Profiländerung verantwortlich ist.

Zusammenfassend deckt diese Studie auf, dass der NoPDAT-Weg parallel und unabhängig von dem NoDGAT-Weg für die Ölförderung verläuft. LU-PE kann als alternative Kohlenstoffsenke für photosynthetisch assimilierten Kohlenstoff in N. oceanica dienen, wenn die PDAT-vermittelte TAG-Biosynthese beeinträchtigt ist oder in Gegenwart hoher CO2-Konzentrationen unter Stress steht.