二十二碳六烯酸（DHA）是人体重要的n-3多不饱和脂肪酸，具有促进脑神经系统发育、保护心血管健康、提高免疫力、抗炎、抗癌等功效。DHA的传统生产方法是从鱼油中提取，但存在诸多缺点，目前更安全健康的新兴生产方式是利用微生物发酵生产DHA，与传统方法相比，微生物发酵无异味、DHA纯度高、易吸收。现在常用的微生物有两类，分别是藻类和色菌类，色菌类主要有裂殖壶菌Aurantiochytrium（又称Schizochytrium）、破囊壶菌Thraustochytrium，原生生物中的裂殖壶菌因累积的脂质占菌体干质量的40%～70%，脂肪酸组分相对简单，DHA质量分数在20%～50%，且所产脂肪酸90%以上是以人体易吸收的甘油三酯形式存在，成为工业化生产DHA使用最多的菌株。
齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省食品发酵工业研究设计院的张华秋、杨莹莹、赵祥颖*等拟综述近年来关于裂殖壶菌多组学研究的综合应用，从而加深裂殖壶菌DHA合成多层面调控网络的认识，以期更好地指导裂殖壶菌优良菌株的设计与构建。
01
裂殖壶菌生产DHA研究历史和进展
关于裂殖壶菌的研究已有较长的历史。裂殖壶菌最先由Goldstein和Belsky在1964年从康涅狄格州长岛湾采集的水样中发现，因其特殊的无性繁殖方式（分裂增殖）而单独命名。2006年根据当时Schizochytrium属所含菌株的综合形态特征、所含多不饱和脂肪酸（PUFA）和类胡萝卜素的特征和18S rRNA对其分类进行了重排，提出通过3 个不同的属容纳这些菌株，即Schizochytrium、Aurantiochytrium和Oblongichytrium，其中Aurantiochytrium spp.的主要特征是含有大量的DHA，大部分生产DHA的Schizochytrium spp.重新归类为Aurantiochytrium。目前Aurantiochytrium属于藻界（Chromista）、SAR（Stramenopiles，Alveolates，Rhizaria）超类群（Harosa）、不等鞭毛门（Stramenolles）、网粘菌纲（Labyrinthulomycetes）、破囊壶菌目（Thtaustochytriales）、破囊壶菌科（Thraustochytriaceae）。在分类上，现在文献中还有将Aurantiochytrium称为Schizochytrium，因此下文所提到的菌株名称都为原文献名称。
1969年美国学者Ellenbogen等在分析低等微藻脂肪酸含量的过程中最早发现了S.aggregatum总脂肪酸中DHA占比达到11.2%，开启了利用Schizochytrium生产DHA的研究。1992年和1996年美国学者Barclay和日本学者Nakahara等分别筛选得到Schizochytrium sp.S31（ATCC 20888）和Schizochytrium sp.SR21（ATCC MYA-1381），Schizochytrium sp.S31以葡萄糖为碳源进行培养，其总脂含量约占细胞干质量的45%，总脂肪酸中DHA达47.4%，Schizochytrium sp.SR21以葡萄糖为碳源，其总脂质约为干细胞质量的50%，总脂肪酸中DHA达57%。Schizochytrium sp.S31和SR21这两株也成为异养发酵生产DHA研究最广泛的菌株，当前Schizochytrium sp.SR21通过分批补料的方式进行发酵，每升发酵液细胞干质量可达到约140 g，DHA产量达到26.7 g/L，这使得裂殖壶菌成为最具有工业价值的DHA生产菌株。虽然自然环境中油脂质量分数在20%～50%的微藻十分常见，但相比于其他产油微生物，裂殖壶菌中DHA所占总油脂比例更高。
在发现裂殖壶菌具有生产DHA的能力后，科研人员进行了一系列工作，例如高产菌株的分离和选育、发酵条件的优化、脂质合成机制的探究。除此之外，裂殖壶菌还可以作为脂质代谢研究的模式生物，目前的研究着重于探究裂殖壶菌高产DHA的机制，并利用其独特的机制进行分子改造以突破生产瓶颈。近年来随着测序和质谱技术的发展，已获得了一系列的基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学数据，例如在最近的一项代表性研究中，通过对Schizochytrium sp.S31不同培养阶段的多组学研究，揭示了其脂质转化的机制。此外，由于其高DHA合成能力，裂殖壶菌已成为PUFA合成酶性质研究的宝贵资源，已广泛应用于其他生物PUFA合成途径的构建（图1）。
裂殖壶菌因其易于培养、生长速度快、脂肪酸组成简单、DHA含量高等优点，近年来已成为工业生产DHA的理想微生物，目前研究的重点仍然是提高DHA产量和降低发酵成本。裂殖壶菌拥有两条脂肪酸从头合成途径，并且具有多种脂肪酸去饱和酶，在油脂微生物中具有明显优势，因此需要更好地了解裂殖壶菌合成DHA的代谢途径，而组学研究为复杂的代谢网络提供了有效的研究手段。
02
裂殖壶菌高产DHA的组学研究
组学主要包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢（脂质）组学（图2）以及在其基础上构建的代谢网络模型，代谢网络模型能够从基因组规模反映生物体的全局转录、翻译及代谢情况。自2015年上传第一个裂殖壶菌基因组（BioProject：PRJNA267643）以来，一系列后基因组技术，包括转录组学、代谢组学、脂质组学和综合多组学已应用于裂殖壶菌研究中，以揭示营养或环境因素（如氮限制、碳源差异、溶氧和温度）和基因操作导致DHA等PUFA脂质积累的潜在机制。
2.1 基因组分析
2015年研究人员采用二代测序（Illumina HiSeq 2000）技术完成了裂殖壶菌（Schizochytrium sp.CCTCC M209059）的第一次全基因组测序，这也是破囊壶菌科（Thraustochytriaceae）中报道的第一个测序物种，随后裂殖壶菌的基因组组装和注释接连公布，2016年和2018年分别发布了Aurantiochytrium sp.T66和Aurantiochytrium sp.KH105的基因组组装和注释。表1汇总了裂殖壶菌及其相近菌株的基因组学概况。采用二代测序技术得到的裂殖壶菌基因组大小大多在40 Mb左右，而三代测序得到的裂殖壶菌基因组大小一般都大于60 Mb，其中Aurantiochytrium sp.KH105GC基因组大小约为97 Mb，远大于60 Mb，Iwasaka等认为其基因组过大可能由于有大约21%的基因组是重复或未组装的序列。裂殖壶菌基因组GC相对含量为45%～62.8%，平均可以预测到约11 000 个编码蛋白质的基因。
2022年Prabhakaran等公开了Aurantiochytrium sp.SW1详细的基因组信息，在其组装的基因组序列中预测到11 588 个蛋白质编码基因，其中注释鉴定出9 127 个基因，基于京都基因与基因组百科全书（KEGG）鉴定出6 554 个基因，其中3 325 个基因属于代谢蛋白质家族，在这3 325 个基因中有1 424 个属于11 个代谢类别，其中脂质代谢基因数量最多（321 个），占总功能基因数量约10%，而在酵母基因组中检测到7 063 个基因仅有119 个基因属于脂质代谢类别，说明脂质代谢在裂殖壶菌中具有重要地位。
利用基因组测序技术可以对裂殖壶菌进行功能基因的研究，从而对该菌株合成DHA等PUFA途径进行表征，其具体合成途径如图3所示。目前研究显示裂殖壶菌中DHA等PUFA的合成涉及两条途径：一是脂肪酸合成酶（FAS）途径，参与的酶有FAS复合体、一系列延长酶以及去饱和酶；二是类似聚酮合酶（PKS）途径的PUFA合成酶途径，参与的酶主要是PUFA合成酶复合体。在很多研究中，PUFA合成酶被称为PKS，因此在本文中，也将使用原文献中的名称讨论PUFA合成酶。
在Aurantiochytrium sp.SW1、S.limacinum B4D1、Schizochytrium sp.TIO01和A.mangrovei的基因组中均发现了编码FAS复合体的基因序列，并且具有极高的同源性。如果通过FAS途径合成DHA至少需要δ4去饱和酶、δ5去饱和酶、δ6去饱和酶、δ9去饱和酶、δ12去饱和酶、δ15去饱和酶、C16延长酶、δ5延长酶、δ6延长酶。在已经完成基因组测序的菌株中，Aurantiochytrium sp.SW1基因组中没有检测到δ12去饱和酶、δ15去饱和酶、δ6去饱和酶等关键酶基因，在Schizochytrium sp.HX-308基因组中只检测到了δ12去饱和酶、δ8去饱和酶、δ6去饱和酶和一个延长酶，在S.limacinum SR21基因组中鉴定到δ4去饱和酶、δ5去饱和酶、δ1延长酶、δ3延长酶、δ4延长酶、δ6延长酶，其中δ6延长酶可以催化十八碳四烯酸为二十碳四烯酸，其他延长酶功能尚未介绍。这说明在裂殖壶菌及其亲缘菌株中，FAS-延长酶/去饱和酶途径大部分是不完整的。
目前通过基因组分析到的PUFA合成酶主要分为两种类型：一类与II型PKS相似，是由多个单功能酶组成的复合体；一类与I型PKS相似，是由几个催化和功能结构域构成的多功能蛋白。2001年Metz等已经通过对Schizochytrium的cDNA进行测序鉴定，得到3 个编码PUFA合成酶的开放阅读框（orf），共含有11 个结构域（图4），随后Hu Fan等也在Schizochytrium sp.TIO01基因组中发现了3 个不含内含子的巨大基因，编码PUFA合成酶的3 个亚基（A、B和C）（NCBI中的LOCUS号分别为AF378327、AF378328、AF378329），这类似于II型PKS，其结构域包括KS、MAT、ACP、KR、DH催化的ER、CLF、AT。但在S.limacinum SR21中检测到了一个类似于I型PKS的多功能蛋白（schi20060510），其结构域包括KS、MAT、ACP、KR和DH，以及零星分布在基因组上与PKS和FAS相关的结构域（1 个KS、7 个ER、2 个AT和1 个MAT）。Aurantiochytrium sp.SW1中有两个基因与S.limacinum SR21中的PUFA合成酶复合体的编码基因部分同源，有3 个基因与Schizochytrium sp.ATCC 20888中PUFA合成酶三亚基（A、B和C）的编码基因同源，因此有学者认为两种类型的PUFA合成酶都存在于Aurantiochytrium sp.SW1。目前虽然已经在多个裂殖壶菌基因组中注释了PUFA合成酶通路的相关结构域，但裂殖壶菌PUFA合成酶的具体结构仍然没有解析。
除了利用基因组学探究功能基因，还可以利用比较基因组探究菌株之间的亲缘关系和进化过程。Liang Limin等通过比较基因组证实了菌株S.limacinum SR21、S.aggregatum ATCC 28209、A.limacinum ATCC MYA-1381和Hondaea fermentalgiana亲缘关系较近。Song Zhiquan等对高产DHA的几株破囊壶菌科的菌株（Schizochytrium sp.Mn4、Thraustochytriidae sp.SW8、Schizochytrium sp.CCTCC M209059、A.limacinum ATCC MYA-1381）和不产DHA的两株破囊壶菌科的菌株（Aplanochytrium kerguelense PBS07、S.aggregatum ATCC 28209）进行基因组比较分析发现，产DHA的菌株基因组中全基因组复制（WGD）重复数的比例为78%～88%，而不产DHA的菌株基因组中S.aggregatum ATCC 28209和A.kerguelense PBS07的比例分别为38%和6%，认为S.aggregatum ATCC 28209比A.kerguelense PBS07至少多经历了一次WGD重复事件，与S.aggregatum ATCC 28209相比，产生DHA的菌株也是如此。因此，从进化的角度来看，生产DHA的功能可能是在后来的进化过程中获得。
基因组规模代谢网络模型（GSMM）是基因组规模的细胞生化反应网络，可以定量描述基因与表型的关系。Ye Chao等基于S.limacinum SR21构建了裂殖壶菌的GSMM（iCY1170_DHA），iCY1170_DHA涵盖了1 769 个代谢反应、1 659 个代谢物和1 170 个基因，通过模型预测建立了提高菌株DHA产量的方法，通过通量平衡分析发现9 种氨基酸可以增加DHA的产量，通过代谢调节最小化分析发现对以乙酰辅酶A合成酶和苹果酸酶为代表的30 个编码基因进行过表达有利于DHA的产生。
2.2 转录组分析
高通量测序在转录层面的应用主要包括转录组分析、转录因子挖掘、转录调控网络的构建（加权基因共表达网络分析（WGCNA）），其中转录组分析多用于比较不同菌株、不同时间点或者不同培养条件下微生物mRNA的表达特征，探究在这些条件下的应答机制，发现可能的调控路径、基因改造靶点等，为菌株的进一步改造与优化提供理论指导。
对于不同的裂殖壶菌菌株，转录组学可以探究其关键基因的转录差异。Bao Zhendong等经过连续培养将Schizochytrium sp.H016分化为高脂质含量亚群（H016-H）和低脂质含量的亚群（H016-L），通过比较两种菌株的在不同时间的转录组，发现H016-H具有脂肪酸合成、甘油三酯积累等途径相关基因的高表达，细胞生长、脂质降解等途径相关基因的低表达特征。Sun Xiaoman等以30 g/L NaCl作为高盐胁迫诱导剂对Schizochytrium sp.HX-308进行150 d的适应性实验室进化（ALE），得到进化菌株ALE150，该菌株细胞干质量和脂质产量分别比起始菌株提高了32.7%和53.31%，转录组学分析发现进化菌株编码抗氧化酶（超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT））的基因以及中心碳代谢、转氢酶循环和FAS等途径相关基因的表达均发生上调。
在裂殖壶菌的不同生长阶段进行转录分析可以揭示生长周期中脂质积累和PUFA合成的机制。Ren Lujing等对Schizochytrium sp.HX-308从细胞生长到脂质积累再到脂质周转这一过程进行时间顺序的转录组分析，通过差异表达基因鉴定及其功能分类，鉴定出了参与脂质积累过程中的关键基因（PUFA合成酶亚基C），并发现在脂质周转期为了应对碳饥饿，促进纤维素、淀粉和棉子糖形成葡萄糖的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和α-半乳糖苷酶编码基因的表达上调，一些与信号转导相关的基因，如磷脂酰肌醇信号系统中的pgr5和snq2也在转化阶段上调，这可能与最终发酵结果中极性脂含量的增加密切相关。
裂殖壶菌自身具有较强的PUFA积累能力，而特定营养或环境胁迫会诱导其胞内脂质积累量大幅提高，其最先做出的响应往往发生在转录调控层面，激发自身的抗逆信号响应途径，进而引发全局性的代谢改变。葡萄糖和甘油作为裂殖壶菌最常见的碳源，本课题组前期完成了对Aurantiochyrium limacinum SFD-1502分别以葡萄糖和甘油作为唯一碳源培养过程的时间序列转录组分析，确定甘油培养条件下PUFA合成酶基因上调，而Chen Wei等持不同观点，认为甘油培养激活了Schizochytrium sp.S056传统脂肪酸合成途径，Ye Huike等通过葡萄糖和甘油混合碳源提高了Thraustochytriidae sp.PKU#Mn16的生物量和DHA产量，通过转录组分析发现混合碳源代替葡萄糖培养会促进PUFA合成酶通路相关基因的表达并抑制β-氧化通路相关基因的表达，这也是总脂质和DHA产量增加的主要机制。除碳源外，氮源也是影响DHA合成的重要因素，Wang Dongsheng等以玉米浆作为氮源，通过比较培养基中不同玉米浆添加量对Aurantiochytrium sp.YLH70转录组的影响，发现限氮培养可使编码乙酰辅酶A羧化酶和乙酰辅酶A合成酶的两个基因表达上调，从而促进脂肪酸前体（丙二酰辅酶A和乙酰辅酶A）生成诱导脂肪酸合成，而富氮培养会促进更多的碳通量进入三羧酸（TCA）循环，促进氨基酸和蛋白质的合成，从而促进细胞生长，且在限氮培养条件下PUFA合成酶亚基A、B和C的表达水平与氮浓度呈反比，FAS相关途径的基因表达水平与之相反。除此之外，盐胁迫、氧胁迫、冷胁迫和外源添加物所造成的环境变化都会使裂殖壶菌的基因表达特征发生变化，具体信息详见表2。
近年来，转录组学在DHA生产菌株的系统代谢工程改造中发挥着越来越重要的作用，通过比较改造菌株与出发菌株的转录组差异，解释其变化机制并获得菌株遗传改造的靶点，可进一步提高DHA的产量和转化率。Zhang Sai等在Schizochytrium sp.PKU#Mn4中通过将外源sod1基因整合到基因组中使得菌株的总抗氧化能力和PUFA比例显著高于野生型菌株，转录组分析显示参与脂肪酸β-氧化的基因表达显著下调，催化脂质生物合成的基因表达上调。这项研究为进一步在裂殖壶菌中构建用于微生物油脂生产的有效代谢工程策略奠定了基础，同时也增进了目前在转录组水平上氧化损伤对细胞影响的理解。
转录组学除了分析研究基因表达的情况，还可以挖掘保证目的基因以特定强度在特定时间表达的转录因子。Wang Dongsheng等通过转录组发现氮胁迫促进了Aurantiochytrium sp.YLH70中丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、钙/钙调素依赖性蛋白激酶和转录因子MYB的响应，其主要负责信号转导。
WGCNA基于表达模式相似的基因往往具有相似的功能，可能参与及调节相同的信号通路或者其蛋白产物存在相互作用，对基因的表达模式进行分析，将表达模式相似的基因进行聚类。Liang Limin等通过在S.limacinum SR21氮限制的条件下构建WGCNA，发现6 种转录因子（3 个蛋白激酶家族蛋白、2 个MYB蛋白和1 个锌指蛋白）与DHA积累呈高度正相关，并筛选得到两个参与脂肪酸氧化关键基因（酰基辅酶A氧化酶和N-乙基马来酰亚胺还原酶），其在氮限制条件下得到强烈的诱导。
2.3 蛋白质组分析
细胞内的大部分代谢活动都是直接或间接受蛋白质调控，因而对细胞蛋白组的分析，可以更好地了解细胞代谢状态。随着现代蛋白质分离与鉴定技术的发展，可被鉴定的蛋白质种类越来越多。裂殖壶菌中的蛋白质分析因为其高含量脂质可以与蛋白质或洗涤剂形成复合物，从而降低蛋白质的富集/分离效果，所以对蛋白质组学的研究不如基因组、转录组全面，但是通过对不同条件下的蛋白质组进行差异分析，即可发现差异表达的蛋白，进而发现不同条件下蛋白表达及调控蛋白的差异。
2015年，Ling Xueping等首先优化了Schizochytrium sp.LU310提取蛋白质和去除脂质的方法（利用15 kpsi均质器进行破壁（两个循环），利用冷处理去除脂质），利用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDSPAGE）分离，通过基质辅助激光解吸离子化飞行时间串联质谱（MALDI-TOF-MS/MS）仪鉴定出了3 种不同的FAS和1 种热休克蛋白，观察了Schizochytrium sp.LU310在不同生长阶段其表达蛋白质的不同，并发现FAS合成酶和PUFA合成酶C亚基在72 h表达量增多。蛋白质组学中，SDS-PAGE结合MALDITOF-MS/MS被认为是比较蛋白质组学中广泛应用的蛋白质分析方法，因为与传统的双向电泳（2-DE）相比，其效率更高、重复性更好。Ma Zengxin等研究了Aurantiochytrium sp.SD116在冷胁迫下的蛋白质组学变化，选择三氯乙酸-丙酮沉淀结合苯酚萃取作为提取方法，采用2-DE分离，共检测了大约700 个蛋白点，由于2-DE技术在分离高分子质量蛋白方面有局限性，因此利用同位素标记相对和绝对定量（iTRAQ）标记，共检测到了4 650 种蛋白，并通过质谱检测成功识别到大于53%的蛋白。研究结果表明：在低温条件下中心代谢途径受到抑制，磷酸戊糖途径被增强以补充能量和NADPH的供应，PUFA合成酶的表达和翻译上调了2 倍以上，以保证低温条件下细胞内膜结构和功能的完整性。之后在碳源代谢方面，Shene等比较了T.striatum AL16在淀粉和葡萄糖中生长的蛋白质组学分析结果，发现ATP合成酶在有葡萄糖的培养基中积累，而苹果酸脱氢酶在淀粉培养基中更为丰富（表3）。
2.4 代谢组分析
组学技术在代谢层面对裂殖壶菌的考察主要包括代谢组学和脂质组学。代谢组分析主要是对裂殖壶菌在不同条件下胞内极性代谢物进行定性和定量分析，主要涉及碳代谢、氮代谢、氨基酸代谢、核酸代谢以及能量代谢等。脂质组分析主要是对裂殖壶菌胞内脂质种类（甘油三酯、磷脂、固醇、甾体及脂肪酸）、含量和组成进行全面的考察。通过对不同生长条件或脂质合成阶段胞内代谢物差异进行多元统计学、差异代谢物以及代谢途径富集分析，确定影响裂殖壶菌脂质积累的关键代谢途径及其限制脂质高效合成的限速步骤。
Bartosova等借助代谢组学和脂质组学技术进行分析，以更深入地监测不同时间Aurantiochytrium sp.的代谢物和脂质水平，揭示了脂质率逐渐降低的原因是脂质前体甘油3-磷酸和长链辅酶A含量下降。
Li Juan等采用时间序列代谢组分析Schizochytrium sp.HX-308在氧限制培养条件下其胞内物质组成及含量的动态变化，推测出在限氧条件下细胞引发应激反应，积累了如琥珀酸和几种氨基酸（丝氨酸、丙氨酸、鸟氨酸）的保护性化合物，以便在限氧条件下生存；另一方面，通过减少磷酸和肌醇的生成从而促进脂质的合成和积累。
除了通过改变培养条件，实验中也常常使用外源添加物探究其对裂殖壶菌的细胞生长和油脂合成造成的影响。厦门大学凌雪萍课题组通过代谢组学和real-time PCR探究了氟化酮（类胡萝卜素合成的调节剂）和氟康唑（阻止甾醇途径）对Schizochytrium sp.MYA1381的影响，结果表明这两种物质都可明显提高β-胡萝卜素的含量，而β-胡萝卜素会降低裂殖壶菌细胞内活性氧的水平，从而促进PUFAs的产生。奥利司他（一种脂肪酶抑制剂）、肌醇等外源添加物对裂殖壶菌所产生的影响和代谢组学分析概况详见表4。
同样，基因操作对细胞内产生的代谢变化也可以通过代谢组分析。Li Zhipeng等通过同源重组破坏Schizochytrium sp.ATCC MYA 1381中PUFA合成酶基因簇中的CLF和DH，使得生产PUFA的产量明显下降，SFA的产量明显上升，通过比较基因删除菌株与原始菌株之间的代谢组，发现这两个基因的破坏导致主要代谢产物减少，并抑制细胞内代谢活性，推测其原因是PUFA作为细胞膜的主要成分，其含量减少会影响细胞膜对底物的摄取与利用，从而影响细胞生长；同时Li Zhipeng等通过过表达MAT，使脂质和PUFA的浓度分别增加了10.1%和24.5%，代谢组学分析显示在工程菌株中麦角甾醇含量显著增加，其可以通过改善膜的流动性和渗透性，加速葡萄糖吸收；TCA循环的代谢产物减少，甲羟戊酸途径中胡萝卜素含量减少，从而使得碳通量被定向到PUFA的合成。
2.5 多组学联用
由于初期裂殖壶菌研究尚浅，基因组信息尚不完整，科研人员常选择首先进行全基因组测序，之后进行有参转录组，通过与参考基因组比对进行分析，部分科研人员选择无参转录组进行转录本组装，构建unigene库，然后进行后续分析。裂殖壶菌DHA合成是多层次网络相互调节作用的结果，单一组学的数据不足以全面、真实地反映细胞的代谢活动。近些年，多组学整合分析在微生物中的应用逐渐增多，如转录组-代谢组整合、蛋白组-代谢组整合以及3 种及以上组学的整合分析。由于未测序物种基因数据库的缺失导致蛋白质鉴定困难、蛋白质提取分离造成的蛋白损失导致鉴定到的蛋白质数量有限等蛋白质组学的技术局限性，使得裂殖壶菌的组学联用多为转录组-代谢组联用。
Ma Wang 等运用转录组和代谢组研究了Schizochytrium sp.HX-308在脂肪酶抑制剂奥利司他作用下的转录和代谢变化，奥利司他可以避免三酰甘油被脂肪酶水解，添加5 mg/L奥利司他组的丙酮酸激酶和甘油三酯脂肪酶（TAGL）基因的转录水平显著上调，然而，1 000 mg/L奥利司他抑制了TAGL的转录，从而导致脂质积累。
如表5所示，从裂殖壶菌的组学研究来看，转录组和代谢组学联用的报道居多，可以在转录和代谢两个方面共同分析。然而解析裂殖壶菌独特的生理生化特性，还需要整合多组学数据，这样才能全面阐释这些特征存在的分子机制。在组学数据库的帮助下，基于综合视角实施具体方法和系统策略，可以更好地理解和提高裂殖壶菌菌株的DHA生产能力。
03
结语
随着生物技术的不断发展，研究人员应用转录组学、蛋白质组学及代谢组学等测序技术获得了不同菌株、不同培养条件之间差异表达的基因、蛋白质以及代谢物。挖掘和鉴定裂殖壶菌在特殊条件下脂质积累的重要调控途径及特异功能蛋白、关键基因以及代谢物等，可加深对裂殖壶菌高产DHA机制的理解。大量研究表明，裂殖壶菌胞内DHA积累对培养环境及营养条件敏感，特定的环境及营养能够诱导裂殖壶菌胞内DHA大量积累，比如甘油培养有利于促进胞内DHA的积累，但甘油培养与葡萄糖培养相比也会导致底物消耗速率的减慢，因此，基于甘油和葡萄糖的混合培养调控策略一直未能很好地应用到裂殖壶菌DHA高效合成中，而组学技术能够从系统水平考察不同碳源条件下裂殖壶菌胞内细胞代谢及脂质代谢情况，从不同尺度确定碳源影响裂殖壶菌脂质积累的关键代谢途径和生物学过程，解析碳源诱导裂殖壶菌脂质积累的机制，有助于从全局角度提出更为精准地调控脂质合成的策略。
在过去十几年里，组学领域取得了前所未有的进展，从而获得了许多关于裂殖壶菌代谢机制的新知识和新见解，然而，把这些新知识和新见解落到实处依然面临着许多挑战和限制，在此，对于其未来的发展提出一些展望：
1）构建更有效的生物信息学分析方法。组学生成的数据量庞大且复杂，在冗杂的数据中筛选到有效数据至关重要，准确的数据处理和分析方法是保证结果可靠性的关键，因此研究人员需要结合生物信息学和统计学的方法，开发适应大规模数据的分析算法并进行数据的标准化和质量控制。对多种不同的数据类型（即二代测序技术和质谱技术）进行综合分析更为困难，尤其是当其中每一类数据都是由不同分布的相对丰度数据组成的，所以需要在多组学数据中运用生信分析，从而帮助研究者在庞大的数据中建立准确的因果关系。
2）利用多组学完整地描述生理活动。每个组学的研究具有不同的广度和深度，不同组学结果可以相互补充和印证，单一的组学研究无法直接反映裂殖壶菌的功能活动，所以需要多组学数据完整地描述裂殖壶菌的全貌。从目前研究进展来看，多组学联用是未来DHA研究的一个趋势，它能够帮助人们更好地理解裂殖壶菌的代谢活动。
3）将组学技术与基因编辑相结合，实现定向进化。通过组合多种组学技术对裂殖壶菌生长发育、产物代谢、信号转导等方面进行深入研究，将有利于发现与裂殖壶菌高产DHA、高密度培养等特性相关的基因，利用同源重组、成簇的规则间隔的短回文重复（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）/CRISPR相关蛋白9（Cas9）系统等基因编辑技术靶向改造裂殖壶菌，从而加快菌种改良，进一步改善裂殖壶菌工业化生产DHA的产量。综上，多组学的研究将为裂殖壶菌在DHA工业生产上提供更广阔的应用前景。
本文《组学技术研究裂殖壶菌高产二十二碳六烯酸的进展》来源于《食品科学》2024年45卷13期312-324页. 作者：张华秋，杨莹莹，刘丽萍，姚明静，韩墨，张家祥，赵祥颖. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230522-203. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网