海洋微生物与自动化——探索深海领域的另一种可能

生命起源于海洋，地球上的氧气约有一半由海洋光合作用所产生，而叶绿素是光合作用光能捕捉与化学能产生所需的关键分子，光合生命进化出复杂的捕光机制。

海洋真核藻类在大小、颜色和形态上各不相同，但它们的捕光色素-蛋白复合体中大多采用了一种陆地植物所缺乏的、名为叶绿素c的分子。叶绿素c是一类在海洋浮游生物中广泛存在的叶绿素，它的吸收光谱主要集中在蓝绿色光区域，能够吸收波长较短的光线，因此在海洋中发挥了重要的作用。

2023年11月24-28日，青岛召开的全国海洋微生物学学术研讨会上，来自西湖大学的李小波团队发表了他在藻类光合作用的代谢合成酶（包括叶绿素、类胡萝卜素），以及在缺氮等逆境条件下，这些色素含量和组成的变化。

▲藻华漩涡。2021年南大西洋的浮游植物藻华漩涡 (绿色和浅蓝色)。

早在2023年10月，李小波团队就在Science发表题为“A chlorophyll c synthase widely co-opted by phytoplankton”（一种被浮游植物广泛选择的叶绿素c合成酶）的文章，揭示了叶绿素c合成酶编码基因及该酶作用机制，挖掘了叶绿素c的生理功能，讨论了该基因的演化形成与转移。

▲从藻类中提取的各类色素（作者：李小波教授研究团队）

绿藻在缺氮胁迫下的光合适应 /

莱茵衣藻

莱茵衣藻，是一种单细胞藻类，在缺氮条件下，氮转运能力上调，甘油三酯等脂质积累，可以作为生物能源的前体，为了持续产生甘油三酯，需要有持续的光合作用，但是缺氮会导致黄化，叶绿素降低及能量猝灭。了解这其中的机制后，就可以让藻类在逆境条件下继续光合作用，把能量保持在特定的产物中，来保持产量。

为了寻找这个过程中的基因，因为是单倍体，通过随机插入突变，不需要自交就可以看表型，将抗性基因的DNA转入到莱茵衣藻，在抗性培养基上做筛选，产生76000个突变体。

PIXL&ROTOR+ /

自动化

人工进行筛选肯定不现实，为了提高效率，采用自动化的方式来识别和筛选菌落，并进行随机挑取菌落，将其接种成384阵列，为了维持这个文库，使用384针在琼脂之间复制，可以保存文库，也可以将文库复制到筛选平板上，看表型变化，记录突变体阵列的大小、颜色、荧光等表型。

▲ROTOR＋高通量菌落筛选可短时间内操作酵母、真菌、细菌、微藻的高密度阵列，使用无菌复制针板，进行84、384、1536、6144密度的高通量筛选，不同密度的文库保存等，PILX自动挑菌设备采用Pinpoint挑取技术，通过超声波自动探测琼脂高度，对每次挑菌进行琼脂表面压力探测挑取随机菌落。

实验筛选了384密度菌落阵列，大约有七万多个突变，可以覆盖微藻一万多个基因和绝大多数非必须基因，获得大约500个突变体有表型特异性，用于后期研究。

结果显示有的黄化慢一点，一直保持绿色，有的黄化快一点，还有能量猝灭，很多突变体无法在缺氮的培养基上生存，有些持续保持绿色的细胞，可能黄化对细胞的生存有保护作用，从突变体中鉴定了很多基因，一部分跟电子传递链相关，也有只知道是个激酶，但作用途径不清楚。