宋立榮 張 琪 鄭凌凌 李天麗 杜 帆

(1. 中國科學院水生生物研究所中國科學院藻類生物學重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072)

微藻是指一類形態(tài)微小(通常需要顯微鏡觀察), 能夠進行光合作用, 主要為單細胞或者簡單多細胞形式的藻類。微藻分布十分廣泛, 不僅廣泛分布于海洋和淡水生境中, 在極端環(huán)境中也能生存,如高山雪地、裸露巖石中與地衣共生、荒漠沙土或溫泉。微藻具有豐富的生物多樣性, 目前發(fā)現(xiàn)的微藻種類約有5萬種[1]。微藻是生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者, 對于維持地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定起到至關重要的作用。同時, 由于微藻具有個體小、種類繁多、生長速度快、適應性強、培養(yǎng)容易和活性物質豐富等特點, 被認為是一個巨大的資源寶庫。隨著對微藻研究的逐步深入, 微藻在許多領域均展現(xiàn)出廣闊的應用前景[2,3]。許多微藻具有較高的蛋白質和油脂含量, 富含多糖、多不飽和脂肪酸(如DHA、EPA)、類胡蘿卜素及其衍生物(如蝦青素、葉黃素)等生物活性成分, 具有極高的營養(yǎng)和藥學價值, 被廣泛運用于食品、藥品、化妝品、水產(chǎn)飼料和生物能源等領域[4,5]。

以現(xiàn)代生物技術為基礎的生物資源的保護和開發(fā)將是未來全球生物資源競爭的一個戰(zhàn)略重點,是生物經(jīng)濟的引擎。在此背景下, 生物資源有效利用將是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展不可或缺的條件之一,直接影響國家的未來經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿? 無疑已成為一個國家重要的戰(zhàn)略資源[6]。微藻種質資源是我國戰(zhàn)略生物資源的重要組成部分之一。種類齊全、穩(wěn)定保藏和運行的微藻資源庫, 是開展藻類基礎生物學和應用研究的重要平臺, 也是相關環(huán)境科學和工程、生態(tài)學、資源保護生物學等學科領域的重要平臺。種質資源是微藻產(chǎn)業(yè)化的基礎, 通過篩選和培育系列優(yōu)良微藻種質資源, 方能提高微藻的規(guī)?；呙芏鹊呐囵B(yǎng), 增加商業(yè)化品種的多樣性。建設微藻種質資源庫, 挖掘特色藻種的應用, 不僅可滿足我國藻類科學等研究領域對高質量微藻種質資源的需求, 也將保障并促進我國微藻產(chǎn)業(yè)化的健康高效發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級, 為我國藻類基礎和應用研究及產(chǎn)業(yè)化提供科技支撐。

1 國際主要藻類資源庫的保藏和共享利用

20世紀50年代, 藻類學研究由傳統(tǒng)的分類和形態(tài)學, 開始擴展到藻類生態(tài)和生理等研究領域, 研究的范圍和學科領域不斷擴大。同時, 德國等藻類研究者開始研發(fā)藻類大量培養(yǎng)技術, 其出發(fā)點是將微藻作為單細胞蛋白的來源, 為解決食品匱乏和蛋白質來源提供新的技術途徑。伴隨著藻類學科研究領域的擴展和微藻生物技術研發(fā)的興起, 對活體微藻資源的需求呈現(xiàn)出明顯的上升, 進而直接或間接地推動了藻類保藏機構的興起和成長。如德國哥廷根SAG-collection、英國CCAP藻種和原生動物保藏庫及美國UTEX-collection, 均是在20世紀50年代發(fā)展起來的: 前二個藻類保藏庫的創(chuàng)始人是著名的德國藻類學家Ernst-Georg Pringsheim(1881—1970); UTEX藻種庫的前身位于美國Indiana大學,創(chuàng)始人Starr教授也保藏了來自Pringsheim饋贈的藻種[7—10]。Mollenhauer[11]在介紹Pringsheim生平的文章中提出, 在藻類學研究由“結構和生殖”階段轉換為從生理生態(tài)視角認識不同類型藻類生活特性的階段的進程中, Pringsheim是他同時代藻類學家中的杰出代表。

20世紀70年代以來, 位于日本國立環(huán)境研究所的NIES-collection、澳大利亞CSIRO海洋研究所的ANACC和法國巴斯德研究所的PCC藻種庫也逐漸發(fā)展成為國際知名的藻類保藏機構。這些藻種庫在藻種的保藏量、保藏特色和客戶服務各有特點(表1)。

表1 國際主要藻類保藏機構情況Tab. 1 Main international algal culture collections

韓國和日本將生物資源保護作為國家戰(zhàn)略, 在組織結構上進行了整合, 以便于統(tǒng)一管理, 推進資源保藏和資源的深入挖掘。1995年, 韓國教育科學技術部成立了韓國國家研究資源中心(Korea National Research Resources Center, KNRRC)。該中心現(xiàn)有31個研究資源庫(RRC), 分別歸類于5個核心中心, 由總中心(Headquarter)統(tǒng)一管理。海洋微藻資源庫也被納入到KNRRC資源庫的管理中。日本文部科學省從全面推進生命科學的立場出發(fā), 自2002年起開始實施“國家生物資源項目(National BioResource Project, NBRP)”, 旨在“作為生命科學研究基礎的生物資源進行收集、保存和提供的同時, 以提高生物資源品質為目標, 通過開發(fā)保存技術和分析基因組等技術提高生物資源的附加價值,并以此來完善生物資源以適應時代的需求”, 并將藻類作為33個核心生物資源之一。

在促進藻類研究和產(chǎn)業(yè)進步的同時, 藻種資源庫也得益于各國政府對微藻生物質資源研發(fā)的重視, 通過與研發(fā)部門合作, 增加了微藻種質資源的庫存數(shù)量和品種類型, 提升了保藏庫的能力建設和服務水準。美國在1978—1996年由國家可再生能源實驗室領銜并聯(lián)合多個單位進行的“水生物種計劃—藻類生物柴油”, 篩選出300余株產(chǎn)油藻種, 重點開發(fā)適于微藻生物柴油生產(chǎn)的培養(yǎng)系統(tǒng)和制備工藝; 1990—2000年, 日本國際貿(mào)易和工業(yè)部耗資近3 億美元資助了一項名為“地球研究更新技術計劃”的項目篩選出多株耐受高CO2濃度、高溫、生長速度快和能形成高細胞密度的藻種[12]。近年來,歐盟、印度、巴西、南非和韓國等國政府大力支持微藻種質資源的收集與保存, 意圖促進微藻資源的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。最近幾年, 許多國際能源巨頭公司, 包括殼牌石油公司、通用電氣公司及一些著名的航空公司都紛紛投入了大量資金, 加入到微藻種質資源的收集與保存研究行列中, 以爭取到微藻資源生產(chǎn)行業(yè)的一席之位[13]。藻類作為實驗材料, 不僅在傳統(tǒng)的生物學研究、資源開發(fā)和環(huán)境科學等領域發(fā)揮了重要的支撐作用, 而且也支撐了法醫(yī)學、物理學和新型材料等領域的研究和應用。

2019年在第七屆歐洲藻類學大會上, 專門設立了藻種資源庫分會場。來自全球20多個藻種保藏庫的代表(包括我國淡水藻種庫)介紹了各自保藏庫的情況。從會議交流的情況可以看出, 在世界范圍內(nèi), 藻種保藏機構較之前有所增多, 多國政府將藻類生物資源提升到國家戰(zhàn)略生物資源或生物多樣性保護的高度加以持續(xù)的支持。從一個側面反映了藻類資源庫在藻類學科進步和藻類產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性和不可替代性。

2 我國藻類資源保藏現(xiàn)狀

自1996年開始, 中國科學院成立了典型培養(yǎng)物保藏委員會, 以收集、保藏和利用活體生物資源為主要目標, 下轄8個生物資源保藏庫成員; 2015年更名為中國科學院生物遺傳資源庫, 成員增加到10個,并納入由財政部專項支持的中國科學院戰(zhàn)略生物資源體系。中國科學院水生生物研究所(以下簡稱水生所) “淡水藻種庫”和中國科學院海洋研究所“海藻種質庫”為最早的一批成員單位。

進入21世紀以來, 我國將生物資源上升到戰(zhàn)略生物資源的高度。2006年起, 科技部陸續(xù)支持建立了國家微生物資源平臺、水產(chǎn)種質資源平臺和國家農(nóng)作物種質資源等6個生物資源活體保藏平臺,成為科技基礎條件平臺的重要組成部分。2019年,經(jīng)優(yōu)化調整形成了國家重要野生植物種質資源庫、國家菌種資源庫和國家水生生物種質資源庫等30個國家生物種質與實驗材料資源庫。淡水藻種庫成為國家水生生物種質資源庫的重要組成部分。掛靠在水生所的淡水藻種庫致力于豐富庫藏藻種多樣性, 同時注重水華微藻、經(jīng)濟微藻和荒漠微藻的保藏, 長期開展藻種資源服務和信息共享。從20世紀50年代開始, 以水生所黎尚豪先生為首,積極倡導藻類實驗室生物學的研究。他是推動經(jīng)典藻類學向近代藻類生物學發(fā)展的主要推動者和帶頭人。自此, 中國藻類實驗生物學的研究隊伍不斷壯大; 進入21世紀, 藻類研究工作者深度介入淡水水華和海洋赤潮環(huán)境生物學研究, 不僅擴大了藻類學的研究范圍和影響, 也豐富了藻類資源保藏類型。在微藻產(chǎn)業(yè)化方面, 以螺旋藻為代表的微藻產(chǎn)業(yè)化從20世紀90年代開始在我國快速發(fā)展, 并由此帶動了其他經(jīng)濟微藻的規(guī)?；囵B(yǎng), 我國微藻產(chǎn)業(yè)的規(guī)模已遠遠領先國際。在過去的半個世紀中, 一些大學和研究機構建立了各自的微藻種質庫, 某些從事水產(chǎn)餌料和微藻活性物質開發(fā)的微藻企業(yè)也建立了經(jīng)濟藻種保存室。據(jù)不完全統(tǒng)計, 這些微藻種質主要集中在中國科學院下屬的水生所、海洋研究所、南海海洋研究所、煙臺海岸帶研究所、武漢植物園及中國海洋大學、寧波大學、廈門大學、暨南大學等研究機構與大學中。水生所以不同種類和生境的微藻保藏為主, 注重保藏水華微藻、經(jīng)濟微藻和荒漠微藻, 海洋研究所以大型海藻保藏為主, 同時保藏大量海洋微藻, 南海海洋研究所以經(jīng)濟微藻的保藏和篩選為主, 煙臺海岸帶研究所以經(jīng)濟藻類為特色的海岸帶微藻保藏為主, 武漢植物園以經(jīng)濟和能源微藻保藏和篩選為主; 中國海洋大學和寧波大學以海洋餌料微藻保藏和篩選為主; 廈門大學和暨南大學以我國海洋赤潮種類保藏為主。

近十年來, 國家大力支持微藻生物能源研發(fā),并帶動大型企業(yè)共同投資, 這波研發(fā)熱潮, 直接或間接地帶動了我國微藻種質資源庫的能力建設。國家層面支持的重點項目包括: 973項目“微藻能源規(guī)模化制備的科學基礎”、863項目“CO2-油藻-生物柴油關鍵技術的研究”和“微藻生物固碳關鍵技術與產(chǎn)品開發(fā)”、國家科技支撐計劃“微藻二氧化碳減排技術研發(fā)及示范”和“能源微藻育種與高效生產(chǎn)關鍵技術研究與示范”、科技部基礎性專項“中國產(chǎn)油微藻調查”、國家重點研發(fā)計劃“二氧化碳煙氣微藻減排技術”等[14]。上述國家項目, 都涉及優(yōu)良藻種的篩選和評價內(nèi)容。在項目完成后, 部分藻種已經(jīng)進入或寄存在有關藻種資源庫保藏。新近啟動的國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點專項支持開展優(yōu)良餌料微藻的篩選評價、育種和養(yǎng)殖技術研究, 實現(xiàn)優(yōu)質餌料微藻高效擴繁技術。這些項目的實施也將進一步支持和促進國內(nèi)微藻種質資源的保藏、篩選、研究和開發(fā)利用工作。

3 淡水藻種庫建設與發(fā)展

淡水藻種庫(Freshwater Algae Culture Collection at the Institute of Hydrobiology, FACHB, 網(wǎng)站主頁: http://algae.ihb.ac.cn)是我國淡水藻種資源保藏、利用和管理的專門機構, 設在水生所, 為獨立的科技支撐平臺。淡水藻種庫致力于我國淡水藻種的收集、保藏和功能挖掘, 同時為國內(nèi)外提供高質量、多樣化的藻種資源及相關的特色服務, 推進資源共享和國際合作。主要工作內(nèi)容和職責為:(1)藻種分離、純化和保藏; (2)藻種培養(yǎng)和保藏技術研究; (3)資源共享和對外服務; (4)藻種篩選評價方法和標準化建設; (5)為科學和產(chǎn)業(yè)部門提供支持和服務[15]。

3.1 沿革與發(fā)展

淡水藻種庫前身是水生所藻類研究室藻種保藏室, 始建于20世紀50年代后期, 正式成立于1973年。學部委員黎尚豪(1917—1993年)和前任淡水藻種庫主任俞敏娟(至1995年)為藻種庫的建立和發(fā)展奠定了基礎, 現(xiàn)任主任(1996年至今)為宋立榮研究員[16]。1996年, 淡水藻種庫作為首批成員單位,加入新成立的中國科學院典型培養(yǎng)物保藏委員會。2010年典型培養(yǎng)物保藏委員會更名為中國科學院野生生物資源庫。2004年藻種庫加入世界微生物數(shù)據(jù)中心(WDCM)。2008年代表中國成為亞太藻種保藏庫網(wǎng)絡發(fā)起成員(AOACC)。2014年加入科技部科技基礎條件平臺地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺。2016年中國科學院野生生物資源庫更名為中國科學院生物遺傳資源庫。2018年通過了ISO9001質量管理體系認證, 并獲得湖北省科技基礎條件平臺支持, 建設“湖北省特色微藻自然科技資源庫”。2019年成為新獲批成立的國家水生生物種質資源庫的核心成員。

3.2 資源現(xiàn)狀

淡水藻種庫以保藏淡水藻種為主, 包括了部分海洋和咸水藻種, 現(xiàn)存藻種3400余株, 隸屬于169屬,包括了藍藻門、綠藻門、硅藻門、裸藻門、紅藻門、甲藻門、隱藻門、金藻門和黃藻門9個門類(表 2)。近年來, 針對日益嚴重的環(huán)境和能源問題,藻種庫聚焦目標, 著重采集并大量分離保藏我國典型區(qū)域和典型生境的淡水水華藻類、荒漠藻類和能源藻類等。分離并保藏來自淡水、咸水、土壤、空氣、高原和溫泉等多種不同生境的藻種。20世紀80年代, 藻種庫曾引進了一批美國UTEX藻種資源。目前, 庫藏藻株85%以上是國內(nèi)來源。已編制了五版藻種名錄。保藏了分離自太湖、滇池、巢湖、博斯騰湖和陽澄湖等二十余個水體的微囊藻、魚腥藻和束絲藻等水華種類300余株以及分離自國內(nèi)不同產(chǎn)地的小球藻、紅球藻和螺旋藻等經(jīng)濟微藻400余株。發(fā)現(xiàn)多個藻類新種, 如藍藻陜西變異球藻(Aliterella shaanxiensis)、水華甲藻疊溪托韋甲藻(Tovellia diexiensis)、微小擬多甲藻(Peridiniopsis minima)、水華綠藻湖北浮球藻(Planktosphaeria hubeiensis)和形成貢嘎山紅石灘景觀的橘色藻新變種約利橘色藻雅家埂變種(Trentepohlia jolithusvar.yajiagengensis)等[17—21], 以及大量的中國新記錄種類, 并將其保藏至藻種庫, 豐富庫藏藻種的多樣性。

表2 淡水藻種庫庫藏藻種資源的數(shù)量和多樣性Tab. 2 Diversity and distribution of the 3427 strains currently available in the FACHB

3.3 共享與服務

在進行藻種資源保藏和整理的同時, 藻種庫積極開展對外服務和共享, 主要的常規(guī)服務項目包括: (1)藻株對外提供; (2)藻種寄存服務; (3)藻種鑒定; (4)人員培訓。隨著對藻種資源需求的不斷提高, 近年來藻種庫對外提供藻種的數(shù)量也不斷增多。以2019年為例, 累計為316家單位提供所需藻株總數(shù)達2500余株, 利用藻種庫藻種發(fā)表的各類學術文章達120多篇。其中對外提供最多的是微囊藻屬Microcystis的藻種, 其次是小球藻屬Chlorella、柵藻屬Scenedesmus和魚腥藻屬Anabaena的藻種。所提供的藻種應用的領域包括環(huán)境、毒理、生理、生態(tài)及應用開發(fā)等。為近90家企業(yè)提供450余株螺旋藻、小球藻和紅球藻等微藻種質資源及相關技術服務。銅綠微囊藻Microcystis aeruginosaFACHB-905是多年來對外提供最多的藻株(圖 1)。銅綠微囊藻FACHB-905藻株是1998年藻種庫分離于昆明滇池, 具有易培養(yǎng)、高產(chǎn)微囊藻毒素和遺傳背景清晰等一系列特點, 是國內(nèi)開展水華藍藻生理生態(tài)學研究的首選藻株。自2012年以來, 藻種庫每年舉辦1－2期培訓課程, 累計為來自全國各地高校、科研院所、公司企業(yè)、環(huán)境監(jiān)測中心、水務集團、環(huán)保企業(yè)和社會團體的600多人次提供藻種鑒定、培養(yǎng)和監(jiān)測等內(nèi)容的培訓。

圖1 銅綠微囊藻FACHB-905對外提供數(shù)量及其支撐發(fā)表文章篇數(shù)情況Fig. 1 Numbers of Microcystis aeruginosa FACHB-905 cultures dispatched from FACHB and published articles refer to FACHB-905

3.4 無菌化和超低溫保藏

隨著微藻產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展, 微藻作為具有重要經(jīng)濟價值的資源受到人們越來越多的關注, 其多糖和蛋白的開發(fā)已被應用于多個領域。為了更深入清晰地挖掘藻類的特性和功能, 研究者首先需獲得無菌的純種藻株, 這是深入開展藻類生理生化、遺傳和毒性等研究的基礎[22]。藻種的無菌化程度也是衡量藻株質量的標準之一, 為了提高保藏藻株的質量, 淡水藻種庫近年來在藻種無菌化方面努力探索, 根據(jù)藻株的不同特性設計不同的純化方案, 通過氨芐青霉素、頭孢青霉素、卡納霉素、多菌靈和放線菌酮等多種抗生素優(yōu)化組合和聯(lián)合處理, 得到30余株綠藻完全無菌株[23]。

藻類種質資源是生物種質庫中重要的組成部分, 其種類豐富, 蘊藏了許多具有應用開發(fā)價值以及理論研究價值的物種, 藻類種質資源的長期保存是開展藻類理論和應用研究的重要基礎。大多數(shù)的藻類采用連續(xù)傳代保藏法, 這種傳統(tǒng)的繼代保藏藻類種質的方法存在費時、費力、容易污染、后續(xù)成本高及形態(tài)、基因信息改變和生理生化特性退化等弊病。超低溫保藏技術是指將活的藻類細胞保藏在超低溫環(huán)境中(通常指保藏在液氮中), 最低溫度接近于-196℃。該技術不僅具有省時、省力、省空間和維持費用低的特點, 還可以克服常規(guī)傳代保藏的上述缺點。藻種庫對收集保藏的17種130個品系的經(jīng)濟微藻(囊括了目前可開發(fā)應用的多種經(jīng)濟微藻), 進行了系統(tǒng)地超低溫保藏條件(保護劑、降溫速率和預凍存溫度等)的篩選, 使60%的藻株復蘇存活率達到50%以上, 對藻種凍存前后的生長速率、油脂含量和光合活性進行測定, 并建立相應的超低溫保藏技術參數(shù)數(shù)據(jù)庫[24]。目前, 藻種庫已對庫藏的1200余株藻種進行了低溫保藏。

3.5 藍藻基因組研究

為解決重點生境高質量藍藻基因組缺乏的問題, 同時為藍藻系統(tǒng)發(fā)生學研究提供堅實的數(shù)據(jù)支持, 藻種庫與華南師范大學和暨南大學等多家單位聯(lián)合, 開展了庫存藍藻基因組測序與分析工作。目前, 本項目已完成163株庫存藍藻的基因組測序, 基于上述數(shù)據(jù)并結合數(shù)據(jù)庫藍藻基因組, 團隊成員對藍藻門的系統(tǒng)發(fā)生及其對不同生境的基因組適應性開展研究[25], 研究基于650株藍藻基因組數(shù)據(jù)構建的藍藻門系統(tǒng)發(fā)育樹, 較好地支持了新近提出藍藻門8個綱的分類方法與生氧光細菌(Oxyphotobacteria)的系統(tǒng)發(fā)育歷史[26,27]。此外, 對海洋、淡水與陸地等三種生境藍藻的基因組適應性的分析表明,陸生藍藻主要依靠基因組擴張策略以應對多變的環(huán)境, 而海洋藍藻多采取基因組收縮策略以適應海水的低營養(yǎng); 同時, 光照感應與吸收、趨化性、營養(yǎng)運輸和滲透脅迫響應等功能相關基因在藍藻中的分布呈現(xiàn)極顯著的生境特異性, 表明上述基因在藍藻生物在特定生境生存與適應中發(fā)揮重要作用。

3.6 優(yōu)良藻株的選育與應用

藻種篩選和評價是淡水藻種庫重要的工作內(nèi)容, 也是微藻產(chǎn)業(yè)化持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的基礎之一。近年來, 開展了針對藻類生長、固碳等生理特性和目標產(chǎn)物特性的高通量篩選和評價, 建立室內(nèi)/外評價技術、活性產(chǎn)物評價技術, 運用層次分析法選取優(yōu)良藻株進行中試規(guī)模培養(yǎng), 形成擁有自主產(chǎn)權的優(yōu)質固碳藻種選育技術體系與藻種信息數(shù)據(jù)庫[28]。從這些藻種中, 已選育出一批生長等性能適應戶外規(guī)模培養(yǎng)的優(yōu)良微藻, 如極大螺旋藻FACHB-438、鈍頂螺旋藻FACHB-439、紅球藻FACHB-712和葛仙米FACHB-599等, 得到產(chǎn)業(yè)界的肯定和推廣。針對制約微藻固碳產(chǎn)業(yè)化應用的技術瓶頸和產(chǎn)業(yè)瓶頸問題, 突破微藻固碳、高值產(chǎn)品開發(fā)及其資源綜合利用的關鍵技術, 藻種庫在科技部863計劃支持下開展固碳藻種的品種選育, 獲得一批擁有重要應用價值的優(yōu)良藻種和微藻高值產(chǎn)品。利用生物質電廠產(chǎn)生的煙道氣開展微藻固碳研究, 將微藻的高效固碳性能耦聯(lián)煙道氣二氧化碳的生物固碳減排,篩選出能利用煙道氣CO2的螺旋藻和小球藻等藻株, 優(yōu)化了戶外養(yǎng)殖工藝, 從而構建了利用煙道氣進行微藻高效和低成本養(yǎng)殖的新的技術模式。新養(yǎng)殖模式的推廣, 在突破藻類產(chǎn)業(yè)升級瓶頸的同時,也將實現(xiàn)固碳減排的環(huán)境效益, 為國家碳減排的宏觀決策提供科學和技術支撐[29]。

藻種庫不僅保藏了大量的具有經(jīng)濟價值的藻株, 還積極與微藻產(chǎn)業(yè)部門合作, 以解決產(chǎn)業(yè)部門的實際問題出發(fā), 開展藻種的篩選、評價、培養(yǎng)及生產(chǎn)性能測試, 以支持和服務微藻產(chǎn)業(yè)部門。例如,與企業(yè)開展合作, 為企業(yè)分離、純化和篩選出了具備適合當?shù)貤l件、高產(chǎn)蝦青素和抗逆性強等優(yōu)良特點的雨生紅球藻, 已建成紅球藻培養(yǎng)擴培實驗室300 m2, 室外生產(chǎn)基地20000 m2(包括平板反應器和管道反應器); 利用研究建立的“一種生物酶催化破壁提取微藻油脂的方法(專利申請?zhí)? 20151066 3965.3)”和“一種從雨生紅球藻提取蝦青素的方法(專利申請?zhí)? 201610763156.4)”, 改進了蝦青素提取工藝流程, 提高了效率。運用代謝組和酶學等手段, 明晰了雨生紅球藻對胞外碳氮素配比的響應規(guī)律, 據(jù)規(guī)范建立了連續(xù)梯度補料技術, 提高了該藻細胞生產(chǎn)和物料利用效率; 發(fā)現(xiàn)添加α-酮戊二酸二鈉顯著促進胞內(nèi)碳重分配, 定向提高了紅球藻蝦青素生產(chǎn)效率[30,31]。藻種庫收集不同品系的螺旋藻株, 構建螺旋藻資源庫, 建立篩選評價體系分離和篩選了若干株具有生長快、生物量高和抗逆性強等優(yōu)良特點的螺旋藻, 為螺旋藻生產(chǎn)企業(yè)提供支持和服務。

30多年來, 我國微藻資源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)體系從無到有, 經(jīng)歷摸索與緩慢起步階段, 目前正走向快速發(fā)展期。在國內(nèi)市場上, 微藻產(chǎn)品日益增多(從生產(chǎn)水產(chǎn)飼料和營養(yǎng)添加與強化劑, 到生產(chǎn)功能性食品、健字甚至準字號微藻產(chǎn)品)并逐漸成為市場中的新生成員[32]。隨著微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大, 國家將微藻納入到2017年正式啟動的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)藻類技術體系, 并以微藻的優(yōu)良種質培育作為產(chǎn)業(yè)體系建設的重要任務之一。借助藻種庫的藻種資源和技術優(yōu)勢, 系統(tǒng)開展微藻種質資源收集與育種工作,選育優(yōu)良種質推動微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 問題與挑戰(zhàn)

近年來, 發(fā)達國家除了大力收集和保藏生物資源加大建設生物資源保藏機構外, 提出了生物資源中心(Biological Resource Center, BRC)的概念。2001年經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)特別工作組提出了題為“生物資源中心——支撐生命科學和生物技術之未來”的報告, 給出了生物資源中心的定義:生物資源中心是支撐生命科學及生物技術的基礎設施的一個必要組成部分。BRCs 包括對可培養(yǎng)有機體(如微生物、植物、動物及人類細胞)及其可復制部分(如基因組、質粒、病毒和cDNA)、有生命但不可培養(yǎng)的有機體、細胞和組織的保藏, 以及與這些保藏物有關的分子、生理、結構信息和相關生物信息數(shù)據(jù)庫[6]。生物資源中心概念的提出使以物種資源收集保藏為主要目的保藏中心開始向資源保藏、評價、開發(fā)和利用的轉變, 滿足社會和人類新需求。

近年來我國的微藻種質資源的建設取得了長足的進步。相對而言, 我國保藏的藻種資源特色仍不明顯, 藻種保藏的軟硬件設施尚需改善, 功能挖掘能力有限, 藻種的信息資源和數(shù)據(jù)庫資源有待完備, 資源和信息生產(chǎn)者與使用者的共享方式及資源成果轉化的利益分享機制尚待明確。隨著國際上BRC概念的興起, 在規(guī)模、質量控制、管理水平和人員訓練上均有了更高的要求, 推動微藻保藏中心向以“資源保藏、評價和持續(xù)利用”為目標的微藻生物資源中心的轉變。

5 展望

在新形勢下, 在繼續(xù)加大微藻種質資源保藏力度的基礎上, 對藻種資源中心提出了分類、鑒定、功能評價及數(shù)據(jù)信息庫建設的要求。發(fā)掘、收集、篩選和培養(yǎng)出新型微藻種質資源, 同時使一些具應用價值的稀有或瀕危微藻種質資源得以長期保存, 提升我國在微藻種質資源采集與保存領域的技術地位。系統(tǒng)性地開展微藻特別是經(jīng)濟微藻的良種化, 選育優(yōu)良種質和培育良種可為微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供動能, 也將是該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向[32]。由于目前還沒有統(tǒng)一的微藻種質評價、審定標準和規(guī)范, 缺乏國家認可的微藻優(yōu)良品種,因此在開展微藻選育工作的同時, 制定一套完整的優(yōu)良經(jīng)濟微藻選育和評價標準及技術體系也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要需求。面向國家在水環(huán)境保護、漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展和微藻生物能源利用等方面的重大戰(zhàn)略需求, 建設包括分類、遺傳、生理生化、生態(tài)、資源分布和生產(chǎn)性能等信息在內(nèi)的藻種資源與藻類環(huán)境數(shù)據(jù)庫, 以服務于水體生命過程、生態(tài)環(huán)境保護與生物資源利用領域的基礎性、戰(zhàn)略性和前瞻性重大科技問題。在堅持微藻資源的長期收集保藏、保質保量并擔當好國家戰(zhàn)略生物資源儲備庫的前提下, 將藻種資源優(yōu)勢轉化為新功能和新品種創(chuàng)制的優(yōu)勢, 將是藻種資源庫未來發(fā)展和提升的保障。

致謝:

淡水藻種庫的發(fā)展, 凝聚了幾代藻類學人的心血。在此, 我們真誠地感謝為藻種庫建立和發(fā)展作出貢獻的前輩、同事和學生們; 感謝美國藻種庫前主任Jerry Brand教授、日本NIES-collection前主任渡邊信教授、澳大利亞海藻藻種庫前主任Susan Blackburn教授和韓國Inha大學鄭坪林教授的支持和關心; 特別感謝俞敏娟先生、劉永定先生和趙進東院士的業(yè)務指導和關懷。