Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production
本研究利用甲基磺酸乙酯（EMS）诱变技术筛选出一种叶绿素含量显著降低的拟链球藻（*Stichococcus* sp.）突变株（EMS1），该突变株随后表现出比野生型更高的生物量、脂质和碳水化合物产量，从而解决了大规模光生物反应器中的光穿透限制问题。
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阳光是驱动海洋生命的引擎，但对于被称为微藻的微小单细胞植物来说，过犹不及。这些微观生物依赖一种被称为叶绿素的绿色色素来捕捉光能，并将其转化为食物和生长动力。然而，当这些细胞在大型水箱中密集生长时，其高浓度的绿色色素会形成一道屏障。外层的细胞吸收了几乎所有的光线，投射下深邃的阴影，导致中间的细胞因缺乏光照而“饥饿”。这种现象通常被称为“阴影效应”，它限制了整个培养物的生物量产量，使得在大规模种植这些生物以生产燃料或其他产品时难以实现高效生长。
长期以来，科学家们一直试图通过寻找或培育不需要那么多叶绿素即可生存的微藻菌株，来绕过这一限制。如果一个菌株能够以较少的绿色色素进行生长，就能让光线渗透到更深处，从而使更多的细胞同时生长，并增加总收获量。希腊克里特岛技术大学的研究团队最近通过研究一种名为“星状球藻”（Stichococcus）的特定杆状微藻，着手应对这一挑战。他们的目标是创造一种能够自然产生较少叶绿素，且比野生型生长更快、并能产生更多有价值化学物质（如油脂和糖类）的生物版本。
为了实现这一目标，研究人员使用了一种称为化学诱变的技术。他们将野生星状球藻的培养物暴露在一种被称为甲基磺酸乙酯的化学物质中，这种物质的作用类似于生物遗传密码的“随机化器”。这个过程会在细胞的 DNA 中引入细微且不可预测的变化。其目的并非设计特定的变化，而是产生广泛的随机突变，然后从中筛选出那些恰好拥有较少叶绿素的幸存者。团队仔细调整了化学物质的浓度，以确保只有大约 5% 的细胞能够存活，这种压力水平旨在促进新性状的出现，而不至于彻底抹除整个种群。
在化学处理之后，研究人员将存活的细胞培养在固体琼脂培养皿中，并等待它们生长成肉眼可见的菌落。他们寻找那些颜色比原始野生型深绿色看起来更浅的菌落。从中，他们挑选出了两个特定的菌株，并将其命名为 EMS1 和 EMS2，因为它们看起来颜色最淡。为了确认这些较浅的颜色是永久性的遗传改变而非暂时的反应，团队在液体海水中对这些菌株进行了三代的连续培养。随后，他们在相同条件下将这些突变株与原始野生型进行对比，测量了它们的生物量产量、叶绿素含量以及储存的油脂和碳水化合物含量。
结果显示，突变菌株具有明显的优势。表现最好的 EMS1 菌株生长速度显著加快，且产生的总生物量高于野生型。在为期两周的实验结束时，EMS1 培养物的密度达到了每升 2.47 克，而野生型仅为每升 2.20 克。更重要的是，EMS1 菌株的叶绿素含量显著降低。野生型的每克干生物量含约 11 毫克叶绿素，而 EMS1 突变株仅含约 6.29 毫克。这种色素含量的减少证实了突变成功改变了生物体采集光能的能力，这可能使其在光线渗透受限的高密度培养环境中生长得更加高效。
除了生长更快和绿色色素减少之外，该突变菌株在生产工业价值材料方面也展现出了潜力。研究人员发现，EMS1 菌株储存了更多的脂质（即可以转化为生物燃料的脂肪）和更多的碳水化合物（可用于其他化学产品）。EMS1 菌株的脂质含量上升至干重的 21%，而野生型为 15%。同样，其碳水化合物含量从原始菌株的 28% 增加到了干重的 44%。细胞中的蛋白质含量在各组之间保持大致相同，这表明该突变专门提升了能量储存化合物的生产，而没有牺牲细胞的基本结构组成部分。
研究结论认为，这种化学诱变过程是改良大规模生产用微藻菌株的一种可行方法。EMS1 菌株凭借其较低的叶绿素含量以及更高的生物量和有价值化学物质的产量，代表了向前迈出的重要一步。研究人员计划在未来的实验中使用这一特定菌株，涉及生物膜光生物反应器系统——即藻类在固体表面而非自由漂浮生长。通过使用这种允许光线深入培养层的菌株，他们希望能够更高效地捕获工业烟尘中的二氧化碳，并将其转化为高价值产品，从而以更低的培养成本将废气转化为资源。
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