藻类基因组工程

核心技术与应用

微藻兼具光合自养、快速生长和基因组操作可行性，是多个应用领域的理想底盘生物。

莱茵衣藻编辑

Chlamydomonas CRISPR/Cas9

莱茵衣藻（C. reinhardtii）是研究光合作用、鞭毛生物学和叶绿体功能的经典模式生物，全基因组已测序，遗传工具较成熟。CRISPR/Cas9与RNP电穿孔递送可实现高效核基因组编辑。

Jiang et al., Plant Cell 2014（首次在衣藻中实现CRISPR编辑）
Cas9 RNP电穿孔，避免持续表达带来的脱靶
利用AphVIII（壮观霉素抗性）或荧光报告筛选转化体
同源重组效率低，通常采用NHEJ进行基因破坏

叶绿体编辑

叶绿体基因组工程

衣藻叶绿体基因组（约200 kb）可通过基因枪（粒子轰击）实现高效同源重组，是研究光合复合体（PSII、PSI、细胞色素b₆f等）结构与功能的重要工具。

叶绿体同源重组效率高于核基因组
基因枪法（biolistic transformation）是主要递送手段
可引入抗性标记（aadA壮观霉素抗性）筛选转化体
适合光合作用机制研究和生物燃料代谢工程

微拟球藻

Nannochloropsis 基因改造

微拟球藻（Nannochloropsis spp.）富含EPA（二十碳五烯酸）等高价值多不饱和脂肪酸，生长速率快，适合户外大规模培养。CRISPR编辑可进一步提高脂质积累量或引入异源合成通路。

Ajjawi et al., Nature Biotechnology 2017（CRISPR提高油脂含量54%）
电穿孔转化效率可达10⁻⁵–10⁻⁴（转化体/细胞）
敲除NH₄⁺感知通路可解除脂质积累的氮源抑制
适用：EPA/DHA生产、生物燃料、高值天然产物

应用方向

主要研究与应用场景

微藻基因工程的应用覆盖基础研究到产业化探索的多个层次，具有独特的光合底盘优势。

光合作用机制研究（PSII修复、碳固定途径）
高值天然产物（虾青素、β-胡萝卜素、叶黄素）合成提升
生物柴油/生物乙醇原料（甘油三酯、淀粉积累）
重组蛋白表达（叶绿体表达系统，成本低廉）
重金属/污染物生物修复（富集蛋白工程化改造）

物种	基因组大小	主要转化方法	代表应用
C. reinhardtii（衣藻）	~120 Mb（核）+200 kb（叶绿体）	电穿孔、基因枪	光合作用研究、鞭毛生物学
Nannochloropsis spp.	~28 Mb	电穿孔	EPA/DHA生产、油脂积累
Arthrospira（螺旋藻）	~6.8 Mb（蓝藻）	接合转移	蛋白质补充、藻蓝蛋白生产
Phaeodactylum tricornutum	~27.4 Mb	基因枪、电穿孔	EPA生产、硅壳研究

参考文献

内容依据公开论文，不构成对具体服务结果的承诺。

Ajjawi I, et al. Lipid production in Nannochloropsis gaditana is doubled by decreasing expression of a single transcriptional regulator. Nat Biotechnol. 2017;35(7):647–652。意义与启发：在工业藻种中显示转录因子的杠杆效应，是代谢工程与表型放大相关的代表性论文。

Greiner A, et al. Targeting of photoreceptor genes in Chlamydomonas reinhardtii via zinc-finger nucleases and CRISPR/Cas9. Plant Cell. 2017;29(10):2498–2518。意义与启发：在衣藻中比较 ZFN 与 Cas9 路径，是光合模式生物核基因编辑的重要参考。

Jiang W, et al. Demonstration of CRISPR/Cas9/sgRNA-mediated targeted gene modification in Arabidopsis, tobacco, sorghum and rice. Nucleic Acids Research. 2013;41(20):e188.

技术背景与基本原理