Đánh giá tính ổn định biểu sinh trong điều kiện bảo quản lạnh và sinh lý giữa các chủng khác nhau của Chromochloris zofingiensis (Chlorophyceae) và sự đa dạng di truyền của chúng được tiết lộ thông qua AFLP và MS-AFLP

Niklas Reichelt1, Dorian Leger1, Mareike Daubert1, Paolo Ruffino2, Thomas Pröschold3, Tatyana Darienko1
1Albrecht-von-Haller-Institute of Plant Sciences, Experimental Phycology and Culture Collection of Algae, Georg-August University of Göttingen, Göttingen, Germany
2Department of Life Sciences and Systems Biology, Mycotheca Universitatis Taurinensis (MUT), University of Turin, Turin, Italy
3Research Department for Limnology, Leopold-Franzens-University of Innsbruck, Mondsee, Austria

Tóm tắt

Tóm tắtChromochloris zofingiensis (Dönz) Fucíková & L.A.Lewis, nhờ vào khả năng sản xuất các carotenoid có giá trị cao như astaxanthin, đã trở thành mô hình sinh học trong công nghệ sinh học. Kể từ khi phát hiện ra tính chất sinh lý này, nhiều ứng dụng công nghệ sinh học chỉ sử dụng một chủng duy nhất (SAG 211-14 = CCAP 211/14 = UTEX 32 = ATCC 30412) để sản xuất sinh khối và carotenoid. Tuy nhiên, nhiều lần thu thập chủng được cho là thuộc cùng một loài đã đặt ra câu hỏi về tính đồng loài của các chủng này cũng như các tính chất của chúng. Trong nghiên cứu này, tính đồng loài của các chủng có sẵn, được lưu giữ axenically trong SAG, đã được kiểm tra bằng cách sử dụng phương pháp giải trình tự SSU và ITS rDNA cùng với phân tích AFLP (EcoRI/PstI). Việc so sánh các trình tự rDNA SSU và ITS cũng như các mẫu AFLP đã chỉ ra rằng các chủng được nghiên cứu hình thành hai nhóm rất giống nhau, (1) SAG 211-14, SAG 4.80, SAG 31.80 và SAG 34.80 và (2) SAG 221-2. Tất cả các chủng đều thuộc về một loài, C. zofingiensis, và đại diện cho một nhánh đơn nguyên trong nhóm được gọi là DO-group của Chlorophyceae. Độ bền với quá trình bảo quản lạnh và sự biến đổi biểu sinh sau đó đã được phát hiện thông qua kỹ thuật AFLP nhạy cảm với methylation (EcoRI/MspI và EcoRI/HpaII) ở năm chủng Chromochloris. Tất cả các chủng đều cho thấy tỷ lệ sống sót cao (54.4–98.1%) trong quá trình bảo quản lạnh. Các mẫu methylation đã thay đổi giữa trước khi bảo quản lạnh và sau khi bảo quản lạnh ở tất cả các chủng được phát hiện qua ba thời điểm (trước, ngay sau, và 8 tuần sau khi bảo quản lạnh), cho thấy rằng kỹ thuật MS-AFLP có khả năng phát hiện các tác động biểu sinh xảy ra phản ứng với quá trình bảo quản lạnh và các áp lực khác. Cuối cùng, tiềm năng của năm chủng này cho việc sử dụng trong các ứng dụng công nghệ sinh học đã được chứng minh bằng cách nuôi chúng trong các nền văn hóa có khí và không có cung cấp carbon dioxide bổ sung. So sánh cho thấy tất cả các chủng sản xuất một lượng lớn sinh khối và carotenoid trong điều kiện cung cấp thêm CO2 và do đó thích hợp trong công nghệ sinh học.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Chen J-H, Liu L, Wei D (2017) Enhanced production of astaxanthin by Chromochloris zofingiensis in a microplate-based culture system under high light irradiation. Bioresour Technol 245A:518–529

Darienko T, Gustavs L, Pröschold T (2016) Species concept and nomenclatural changes within the genera Elliptochloris and Pseudochlorella (Trebouxiophyceae) based on an integrative approach. J Phycol 52:1125–1145

Day JG, Brand JJ (2005) Cryopreservation methods for maintaining cultures. In: Andersen RA (ed) Algal culturing techniques. Academic Press, New York, pp 165–187

Day JG, Harding K (2008) Cryopreservation of algae. In: Reed BM (ed) Plant cryopreservation: a practical guide. Springer, NY, pp 95–116

Del Campo JA, Rodriguez H, Moreno J, Vargas MA, Rivas J, Guerrero MG (2004) Accumulation of astaxanthin and lutein in Chlorella zofingiensis (Chlorophyta). Appl Microbiol Biotechnol 64:848–854

Dönz OC (1934) Chlorella zofingiensis, eine neue Bodenalge. Ber Schweiz Bot Ges 43:127–131

Ettl H, Gärtner G (1995) Syllabus der Boden-, Luft- und Flechtenalgen. Gustav Fischer, Stuttgart

Felsenstein J (1985) Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap. Evolution 39:783–791

Fott B, Novakova M (1969) A monograph of the genus Chlorella. The freshwater species. In: Fott B (ed) Studies in phycology. Academia, Prag, pp 10–74

Fučíková K, Lewis LA (2012) Intersection of Chlorella, Muriella and Bracteacoccus: resurrecting the genus Chromochloris Kol et Chodat (Chlorophyceae, Chlorophyta). Fottea 12:83–93

Hindák F (1982) Taxonomic position of the chlorococcal alga Chlorella zofingiensis Dönz 1934 (Chlorophyceae). Algol Stud 30:13–23

Huo S, Wang Z, Zhu S, Shu Q, Zhu L, Qin L, Zhou W, Feng P, Zhu F, Yuan Z, Dong R (2018) Biomass accumulation of Chlorella zofingiensis G1 cultures grown outdoors in photobioreactors. Front Energy Res 6:49

Iqbal K, Jin S-G, Pfeifer GP, Szabo PE (2011) Reprogramming of the paternal genome upon fertilization involves genome-wide oxidation of 5-methylcytosine. Proc Natl Acad Sci 108:3642–3647

Kalina T, Punčochářová M (1987) Taxonomy of the subfamily Scotiellocystoideae Fott 1976 (Chlorellaceae, Chlorophyceae). Algol Stud 45:473–521

Kapoore RV, Huete-Ortega M, Day JG, Okurowska K, Slocombe SP, Stanley MS, Vaidyanathan S (2019) Effects of cryopreservation on viability and functional stability of an industrially relevant alga. Sci Rep 9:2093

Kerfin W, Kessler E (1978) Physiological and biochemical contributions to the taxonomy of the genus Chlorella XI. DNA hybridization. Arch Microbiol 116:97–103

Kessler E (1972) Physiologische und biochemische Beiträge zur Taxonomie der Gattung Chlorella VI. Verwertung organischer Kohlenstoff-Verbindungen. Arch Mikrobiol 85:153–158

Kessler E (1976) Comparative physiology, biochemistry, and the taxonomy of Chlorella (Chlorophyceae). Plant Syst Evol 125:129–138

Kessler E (1978) Physiological and biochemical contributions to the taxonomy of the genus Chlorella. XII. Starch hydrolysis and a key for the identification of 13 species. Arch Microbiol 119:13–16

Kessler E (1982) Chemotaxonomy in the Chlorococcales. Progr Phycol Res 1:111–135

Kessler E (1984) A general review on the contribution of chemotaxonomy to the systematics of green algae. In: Irvine DEG, John DM (eds) Systematics of the green algae, vol 27. Academic Press, London, pp 391–407

Kessler E (1985) Upper limits of temperature for growth in Chlorella (Chlorophyceae). Plant Syst Evol 151:67–71

Kessler E, Czygan F-C (1966) Chlorella zofingiensis Dönz: Isolierung neuer Stämme und ihre physiologisch-biochemischen Eigenschaften. Ber Dt Bot Ges 78:342–347

Kol E, Chodat F (1934) Quelques algues nouvelles des sols et de la neige du Parc National Suisse, Engadine. Bull Soc Bot Genève 25:250–263

Kuhl A, Lorenzen H (1964) Handling and culturing of Chlorella. In: Prescott DM (ed) Methods in cell physiology, vol 1. Academic Press, New York, pp 159–187

Lichtenthaler HK (1987) Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol 148:350–382

Liu J, Sun Z, Gerken H, Liu Z, Jiang Y, Chen F (2014) Chlorella zofingiensis as an alternative microalgal producer of astaxanthin: biology and industrial potential. Mar Drugs 12:3487–3515

Lorenz M, Friedl T, Day JG (2005) Perpetual maintenance of actively metabolizing microalgal cultures. In: Andersen RA (ed) Algal culturing techniques. Academic Press, New York, pp 145–156

Mannschreck B, Fink T, Melzer A (2002) Biosystematics of selected Chara species (Charophyta) using amplified fragment length polymorphism (AFLP). Phycologia 41:657–666

Müller J, Friedl T, Hepperle D, Lorenz M, Day JG (2005) Distinction between multiple isolates of Chlorella vulgaris (Chlorophyta, Trebouxiophyceae) and testing for conspecificity using amplified fragment length polymorphism and ITS rDNA sequences. J Phycol 41:1236–1247

Müller J, Day JG, Harding K, Hepperle D, Lorenz M, Friedl T (2007) Assessing genetic stability of a range of terrestrial microalgae after cryopreservation using amplified fragment length polymorphism (AFLP). Am J Bot 94:799–808

Panis G, Carreon JR (2016) Commercial astaxanthin production derived by green alga Haematococcus pluvialis: a microalgae process model and a techno-economic assessment all through production line. Algal Res 18:175–190

Peng C, Sui Z, Zhou W, Hu Y, Mi P, Jiang M, Li X, Ruan X (2018) Analysis of DNA methylation of Gracilariopsis lemaneiformis under temperature stress using the methylation sensitive amplification polymorphism (MSAP) technique. J Ocean Univ China 17:623–631

Qu JQ, Wang X, Liu C, Li XL, Zhang XL, Liu T (2013) Preliminary analysis of DNA methylation of Saccharina japonica with MSAP. Period Ocean Univ China 43:54–59

Rhodes L, Smith J, Tervit R, Roberts R, Adamson J, Adams S, Decker M (2006) Cryopreservation of economically valuable marine micro-algae in the classes Bacillariophyceae, Chlorophyceae, Cyanophyceae, Dinophyceae, Haptophyceae, Prasinophyceae, and Rhodophyceae. Cryobiology 52:152–156

Roth MS, Cokus SJ, Gallaher SD, Walter A, Lopez D, Erickson E, Endelman B, Westcott D, Larabell CA, Merchant SS, Pellegrini M, Niyogi KK (2017) Chromosome-level genome assembly and transcriptome of the green alga Chromochloris zofingiensis illuminates astaxanthin production. Proc Natl Acad Sci 114:E4296–E4305

Schlösser UG (1994) SAG-Sammlung von Algenkulturen at the University of Göttingen. Botanica Acta 107:424–429

Schönswetter P, Tribsch A (2005) Vicariaceae and dispersal in the alpine perennial Bupleurum stellatum L. (Apiaceae). Taxon 54:725–732

Schrey AW, Alvarez M, Foust CM, Kilvitis HJ, Lee JD, Liebl AL, Martin LB, Richards CL, Robertson M (2013) Ecological epigenetics: beyond MS-AFLP. Integr Comp Biol 53:340–350

Schulz B, Eckstein RL, Durka W (2013) Scoring and analysis of methylation-sensitive amplification polymorphisms for epigenetic population studies. Mol Ecol Resour 13:642–653

Schwarz K (1979) Neue Bodenalgen aus Dalmatien. Plant Syst Evol 131:193–209

Stock W, Pinseel E, De Decker S, Sefbom J, Blommaert L, Chepurnova O, Sabbe K, Vyverman W (2018) Expanding the toolbox for cryopreservation of marine and freshwater diatoms. Sci Rep 8:4279

Swofford DL (2002) PAUP* phylogenetic analysis using parsimony (*and other methods), version 4.0b10. Sinauer Associates, Sunderland

Turland NJ, Wiersema JH, Barrie FR, Greuter W, Hawksworth DL, Herendeen PS, Knapp S, Kusber W-H, Li D-Z, Marhold K, May TW, McNeill J, Monro AM, Prado J, Price MJ, Smith GF (2018) International Code of Nomenclature for algae, fungi, and plants (Shenzhen Code) adopted by the Nineteenth International Botanical Congress Shenzhen, China, July 2017. Regnum Vegetabile 159, Koeltz Botanical Books, Glashütten