雨生红球藻中基于CRISPR/Cas9 遗传操作体系的建立及在提高生物量和虾青素含量中的应用技术研究

研究背景

虾青素是一种具有着色、抗氧化、保健等多种功能的类胡萝卜素，广泛应用于水产养殖、食品、化妆品、保健、制药等行业。自然界中雨生红球藻是虾青素积累量最高的微藻，规模养殖，商业化量产，但仍存在诸多瓶颈问题，如生物量偏低、目标产物积累率偏低 、工艺流程复杂、培养周期长等。

为了充分发挥微藻生产潜力，优化生产工艺，有必要利用分子生物技术研究微藻的遗传背景，解决生物量偏低，脂质累积率偏低、培养周期长等瓶颈问题。从而，从源头改善雨生红球藻生物量、生产模式、以及虾青素品质等。目前生物信息学和基因工程技术的迅速发展，新型基因编辑技术已经成为解决上述问题的重要策略。

项目主要研究内容

基因编辑技术是一种通过人工设计和改造核酸酶达到对基因进行定点修饰的技术。其核心是通过对生物体特定DNA片段的插入、敲除、修饰或替换等手段，使预期基因组序列发生改变并遗传，进而实现目标基因的编辑。

目前发展起来的基因编辑技术主要包括第一代的锌指核酸酶、第二代的转录激活子样效应子介导核酸酶和近几年兴起的第三代crispr/cas9系统。

CRISPR/Cas9基因编辑技术是2020年“诺贝尔”化学奖项目。系统识别机制是通过人工设计的sgRNA（guide RNA）来识别目的基因组序列，并引导 Cas9 蛋白酶进行有效切割 DNA 双链，形成双链断裂，损伤后修复会造成基因敲除或敲入等，最终达到对基因组DNA 进行修饰的目的。相对其他编辑技术来说，操作简单，容易构建、精准度高、并且能对多个基因位点进行定点编辑等优势。

项目通过CRISPR/Cas9基因编辑技术在雨生红球藻中建立，鉴定雨生红球藻基因组上每个编码或非编码位点的功能。然后，通过对藻种基因敲除、基因敲入、基因抑制和激活、多重编辑、功能基因组筛选等，完成编辑改造出新的雨生红球藻藻种，能够具有生物含量高，虾青素累积含量高的特点，同时改造雨生红球藻藻种细胞壁，提高藻油的提取效率。

项目进展：

该项目为世界首创，任务艰巨，但国际微藻权威专家、中国科学院水生生物研究所黄开耀团队和艾诗特科研团队的共同努力下，项目于2年内，在国际上率先建立雨生红球藻基因编辑的遗传操作体系，已成功将优质基因转入雨生红球藻中，初试验其虾青素含量提高了1.47倍。目前，藻种已进入实际预生产阶段。后续利用基因编辑遗传操作体系提高虾青素产量和含量、改造细胞壁的研究结果，将陆续发布。