본 연구에서는 Fragilariopsis pseudonana, Chaetoceros neogracile, Stellarima microtrias 3종 극지미세조류의 아미노산, tocopherol 함량을 비교하고, 메탄을 추출물로부터 총폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량을 분석함과 동시에 항산화 활성 및 신경세포 보호능을 검토하였다. Fragilariopsis pseudonana의 ${\alpha}-,\;{\beta}+{\gamma})-,\;{\delta}-tocopherol$ 함량이 가장 높은 깃으로 나타났고, 특히 Fragilariopsis pseudonana의 ${\alpha}-tocopherol$ 함량은 Chaetoceros neogracile보다 약 2배정도 높은 $1035{\mu}g/100g$인 것으로 확인되었으나, Stellarima microtria에서는 모두 검출되지 않았다. 또한 Fragilariopsis pseudonana의 추출물은 ABTS assay에 의한 항산화 활성이 가장 높았으며 총폴리페놀 함량도 가장 높았다. 한편, 신경세포 보호황성은 Chaetoceros neogracile. 추출물에서만 확인되었다.
To better understand the gene expression of the cold-adapted polar diatom, we conducted a survey of the Chaetoceros neogracile transcriptome by cDNA sequencing and expression of interested cDNAs from the Antarctic diatom. A non-normalized cDNA library was constructed from the C. neogracile, and a total of 2,500 cDNAs were sequenced to generate 1,881 high-quality expressed sequence tags (ESTs) (accession numbers EL620615-EL622495). Based on their clustering, we identified 154 unique clusters comprising 342 ESTs. The remaining 1,540 ESTs did not cluster. The number of unique genes identified in the data set is thus estimated to be 1,694. Taking advantage of various tools and databases, putative functions were assigned to 939 (55.4%) of these genes. Of the remaining 540 (31.9%) unknown sequences, 215 (12.7%) appeared to be C. neogracile-specific since they lacked any significant sequence similarity to any sequence available in the public databases. C. neogracile consisted of a relatively high percentage of genes involved in metabolism, genetic information processing, cellular processes, defense or stress resistance, photosynthesis, structure, and signal transduction. From the ESTs, the expression of these putative C. neogracile genes was investigated: fucoxanthin chlorophyll (chl) a,c-binding protein (FCP), ascorbate peroxidase (ASP), and heat-shock protein 90 (HSP90). The abundance of ASP and HSP90 changed substantially in response to different culture conditions, indicating the possible regulation of these genes in C. neogracile.
Statistical experimental designs; involving (i) a fractional factorial design (FFD) and (ii) a central composite design (CCD) were applied to optimize the culture medium constituents for production of a unique antifreeze protein by the Antartic micro algae Chaetoceros neogracile. The results of the FFD suggested that NaCl, KCl, $MgCl_2$, and ${Na}_{2}{SiO}_{3}$ were significant variables that highly influenced the growth rate and biomass production. The optimum culture medium for the production of an antifreeze protein from C. neogracile was found to be Kalle's artificial seawater, pH of $7.0{\pm}0.5$, consisting of 28.566 g/l of NaCl, 3.887 g/l of $MgCl_2$, 1.787 g/l of $MgSO_4$, 1.308 g/l of $CaSO_4$, 0.832 g/l of ${K_2}{SO_4}$, 0.124 g/l of $CaCO_3$, 0.103 g/l of KBr, 0.0288 g/l of $SrSO_4$, and 0.0282 g/l of ${H_3}{BO_3}$. The antifreeze activity significantly increased after cells were treated with cold shock (at $-5^{\circ}C$) for 14 h. To the best of our knowledge, this is the first report demonstrating an antifreeze-like protein of C. neogracile.
Two isolated Antarctic marine diatoms, Chaetoceros neogracile VanLandingham and Stellarima microtrias (Ehrenberg) Hasle and Sims were examined to show changes of growth and uptake rate of nitrate due to UV-B irradiance. Chlorophyll (chl) a concentration was regarded as the growth index of diatom. The diatoms were treated with UV-B radiation and cultured for 4 days under cool-white fluorescent light without UV-B radiation. Two levels of UV-B exposures were applies: 1 and 6 W $m^{-2}$. Durations of UV-B treatment were 20, 40 and 60 minutes under 6 W $m^{-2}$ and 1, 2, 3, 4 and 5 hrs under 1 W $m^{-2}$. The control groups were cultured at the same time without UV-B radiation. The growth rates of two diatoms decreased under 1 and 6 W $m^{-2}$ UV-B irradiances than that of control group. After 4 days, chl a concentrations of C. neogracile were increased more than 4 times from 133 μgo$l^{-1}$ to 632 μgo$l^{-1}$ in control group. However, the concentration of experimental groups under 1 W $m^{-2}$ UV-B were only increased from 139 μgo$l^{-1}$ to 421 μgo$l^{-1}$ during one hour and the chl a concentrations were decreased from 144 μgo$l^{-1}$ to 108 μgo$l^{-1}$ during five hour. Growth of diatom dramatically more decreased under 6 W $m^{-2}$ UV-B than 1 W $m^{-2}$ UV-B. The chl a concentration of experimental groups under 6 W $m^{-2}$ UV-B for one hour was only increased from 111 μgo$l^{-1}$ to 122 μgo$l^{-1}$. In the case of S. microtrias showed also similar pattern to C. neogracile by UV-B radiation. The uptake rates of nitrate by the two strains were decreased abruptly under 6 W $m^{-2}$ UV-B irradiances. When two strains were treated under 1 and 6 W $m^{-2}$ UV-B during one hour, the strains were only continued growth and uptake of nitrate under 1 W $m^{-2}$ UV-B. This experimental evidence shows that exposure to UV-B radiation especially to high irradiance of UV-B decreases diatom survival and causes lower decrease of nutrient concentrations by microalgae in Antarctic water. Furthermore, evidence suggests that microalgal communities confined to near-surface waters in Antarctica will be harmed by increased UV-B radiation, thereby altering the dynamics of Antarctic marine ecosystems.
Kim, Minjae;Kim, Jongrae;Kim, Sanghee;Jin, EonSeon
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제30권11호
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pp.1777-1784
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2020
To increase the availability of microalgae as producers of valuable compounds, it is necessary to develop novel systems for gene expression regulation. Among the diverse expression systems available in microalgae, none are designed to induce expression by low temperature. In this study, we explored a cold-inducible system using the antifreeze protein (AFP) promoter from a polar diatom, Chaetoceros neogracile. A vector containing the CnAFP promoter (pCnAFP) was generated to regulate nuclear gene expression, and reporter genes (Gaussia luciferase (GLuc) and mVenus fluorescent protein (mVenus)) were successfully expressed in the model microalga, Chlamydomonas reinhardtii. In particular, under the control of pCnAFP, the expression of these genes was increased at low temperature, unlike pAR1, a promoter that is widely used for gene expression in C. reinhardtii. Promoter truncation assays showed that cold inducibility was still present even when pCnAFP was shortened to 600 bp, indicating the presence of a low-temperature response element between -600 and -477 bp. Our results show the availability of new heterologous gene expression systems with cold-inducible promoters and the possibility to find novel low-temperature response factors in microalgae. Through further improvement, this cold-inducible promoter could be used to develop more efficient expression tools.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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