PBJ | 中国农科院易可可团队创制磷素超积累藻株高效回收利用水体磷素，可有效减轻水体富营养化实现磷素循环利用

近日，北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所易可可研究员团队在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Engineering microalgae for water phosphorus recovery to close the phosphorus cycle”的研究论文。

微藻具有光合效率高、固碳性能好等特点，且微藻能够奢侈吸收水体磷素，并以多聚磷酸的形式储存在液泡中。磷是作物生长必需元素，为了保障作物产量，大量磷矿被开采并制成磷肥施用到土壤中。一方面，磷矿作为一种不可再生资源，正面临耗竭的风险；另一方面，全球每年大约30-50%的磷肥通过土壤径流等流失到水体中，造成水体富营养化等一系列环境问题。为了保障粮食安全和绿水青山， 2020年全球超过500名科学家签署了“Our Phosphorus Feature”的宣言，呼吁全球共同行动，实现磷素的可持续发展。

针对水体中的磷素，目前的常用处理办法是吸附沉淀或者通过细菌吸收后形成污泥排出。这些方法虽然能净化水体，但却不能实现磷素的循环利用。筛选并创制优良藻株回收磷素并制成微藻肥，不仅可实现农业绿色发展，达到固碳减排、改良土壤等作用，也符合粮食安全和国家“双碳”战略的要求。

课题组前期研究发现，微藻液泡VTC家族负责催化Pi合成多聚磷酸并储存在液泡中，而PTC1家族基因负责液泡磷的外排。基于此，本研究通过生物技术的方法，创制了PTC1功能缺失的材料，发现ptc1突变体的液泡多聚磷酸含量显著提高，表明关闭液泡磷外排PTC1基因，导致液泡多聚磷酸积累。进一步研究发现总磷含量也提高了，且水体磷素清除效率提高了一倍。经转录组测序发现PTC的突变体材料中，磷酸盐转运体和磷酸酶等磷相关基因表达都上调了，可能磷素中心转录调控因子PSR也参与了这个过程。因此，本研究进一步创制了PSR的超表达材料，发现PSR的超表达材料的总磷和多聚磷酸含量也比野生型提高了，且水体磷素清除效率提高了大约2倍。

基于以上结果，本研究进一步整合磷信号和内部转运，过表达PSR同时关闭PTC1，创制了水体磷素高效吸收和超级积累的藻株SPAO，将其总磷含量提高到干重的7%左右（迄今为止植物中最高）、液泡多聚磷酸含量提高了5倍。对含总磷31mg/L水体按105 cells/ml接种藻体时，SPAO仅用2.5天已经完全清除水体磷素，而野生型需要9天。并且，SPAO在合成污水和真实的工业污水测试中呈现出明显的磷素清除优势，在磷含量约为60 mg/L的工业废水中按106 cells/ml接种藻体时，野生型藻株只能清除大约50%的磷，而SPAO藻株只用大约60 h已经清除所有磷素。本研究进一步将藻株收集并做成肥料，发现可以和化学磷肥一样维持番茄的正常生长。研究团队与杭州秀川科技有限公司合作对SPAO藻株的产业化应用做了进一步探索，发现SPAO藻株在制造生物磷肥、磷回收、废水深度除磷等方面表现出了优秀的潜力，极有可能在未来城市生态系统磷循环中扮演重要的角色。

图1. 超聚磷藻SPAO的设计和促进磷素闭环的模式图

综上，本研究在前期藻类磷信号网络的基础上，通过生物技术建立了三种微藻工程化改造的方法。1、关闭微藻液泡磷外排基因，将磷锁在液泡中；2、过表达磷素核心转录调控因子PSR，提高藻株对磷素的奢侈吸收能力；3、整合磷信号和内部转运，即过表达PSR同时敲除PTC，创制SPAO。以上研究将推动磷素的循环利用，实现磷素闭环的愿景成为可能，为最终实现磷素良性循环和农业绿色发展提供技术支撑。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所王龙博士后为论文第一作者，易可可研究员为论文的通讯作者，贾贤卿博士后为论文的共同第一作者和共同通讯作者。该所徐磊副研究员，研究生俞佳虹、任素娜、杨玉杰、杭州秀川科技有限公司王开彬、德州理工大学Damar López-Arredondo和Luis Herrera-Estrella、西澳大学Hans Lambers教授也参与了部分工作。相关工作得到了国家自然科学基金（32130096 和 32102478），中国博士后科学基金（2021M693449 和 2022T150707）及中国农科院创新工程等经费资助。

易可可实验室网站：https://yilab.life

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14040

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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