Rapid growth in both global energy demand and carbon dioxide emissions associated with the use of fossil fuels has driven the research for alternative sources which are renewable and have a lower environmental impact. Biofuels represent an interesting alternative for petroleum based fuels, especially for transportation. Microalgae are a promising feedstock for biodiesel due to their ability to grow on broad environment, moreover their cultivation is not in competition with food crops, and their limited nutrient request, in fact: microalgae need only CO2 and solar energy for their correct growth. Species of the Nannochloropsis genus are included in the list of biodiesel production candidates due to their ability to accumulate large amounts of lipids (60% of total dry weight), especially during nitrogen starvation. While it is thus clear in the scientific community that algae are highly promising for industrial application, intensive research efforts are still needed to fully exploit their potential in large scale cultivation systems. The high cell concentration achieved in photobioreactor affects the light energy efficient use: high optical density of the medium leads to an inhomogeneous light distribution between the cells in the external layer, exposed to excess light, and the underneath where cells growth is limited by the weak illumination. Therefore, successful large-scale microalgae production will necessitate a photosynthetic process optimization in order to limit energy dissipation and to increase growth yield under low light condition. For this purpose, an essential step is the isolation and characterization of Nannochloropsis photosynthetic mutant that best fit with artificial growth conditions. Recently an interesting photosynthetic mutant, called I 48, was selected for the loss of heat dissipation mechanism (NPQ) probably due to a mutation in light harvesting protein (LHCX1) gene sequence. Thus, the purpose of my thesis project is the mutant phenotype characterization, in different light condition, through the study of different physiological parameters like: grow rate, photosynthetic efficiency and pigment content. As expected the mutant photosynthetic efficiency decreases under prolonged high light conditions, conversely this sensibility is not evident in fluctuating light condition. Interestingly the mutant growth is not stopped in all light condition tested, but it is similar to that of the Wild type strain. These observations, together with the increase in mutant biomass productivity show in industrial-simulating growth condition, prove their theoretical potential of enhancig overall productivity by improving energy conversion mechanism. Recent study on Phaeodactylium tricornutum photoprotective mechanism (NPQ) show that member of LHCX family are differently regulated under different light intensity conditions. Interestingly, the presence of two other LCHX family members in Nannochloropsis suggests that this kind of regulation could be conserved in Eustigmatophiceae. Finally, in order to analyze the light-harversting protein role in high light stress, and if there is some expression deregulation in the mutant strain, a transcriptional analysis were conducted through quantitative PCR.
Il costante aumento della domanda di energia unito al crescente impatto ambientale causato dalla liberazione in atmosfera di CO2 derivante dall'utilizzo di combustibili fossili rende sempre più necessaria la ricerca di nuove fonti energetiche che siano rinnovabili, ecocompatibili ed economicamente competitive. La produzione di combustibili a partire da biomasse risulta essere un'alternativa promettente ai derivati del petrolio, soprattutto nel settore dei trasporti. Una delle possibilità più interessanti è la produzione di biocarburanti a partire da microalghe. La coltivazione di questi organismi può essere effettuata su terreni marginali, non entra in conflitto con la produzione alimentare e non ha particolari richieste in termini di nutrienti, infatti le microalghe per crescere sfruttano la CO2 e la luce solare. Tra le tante specie considerate, Nannochloropsis gaditana sembra essere un candidato molto promettente, in quanto in grado di accumulare, soprattutto in condizioni di stress da carenza di azoto, più del 60 % del suo peso secco in lipidi. Nonostante l'elevato potenziale di questi organismi, la loro produzione su larga scala presenta ancora alcuni limiti. L'uso efficiente dell'energia luminosa è ostacolato dalle elevate concentrazioni cellulari che si raggiungono all'interno dei fotobioreattori (PBRs): le cellule presenti nello strato più superficiale sono sottoposte ad un eccesso di luce, mentre quelle più interne subiscono un rallentamento della crescita a causa dell'ombreggiatura. È necessario quindi ottimizzare il processo fotosintetico al fine di limitare la dissipazione dell'energia in eccesso e aumentarne le rese in condizioni di bassa illuminazione. L'isolamento e la caratterizzazione di mutanti fotosintetici di N. gaditana, che meglio si possono adattare alle condizioni di crescita artificiali, risulta essere uno step fondamentale. In questo lavoro quindi è stato condotto uno studio atto a delineare il fenotipo del mutante I 48, precedentemente selezionato per la mancanza della componente veloce (qE) del meccanismo di fotoprotezione probabilmente imputabile alla presenza di uno SNP a livello gene codificante per la proteina antenna LHCX1. La prima parte del lavoro si focalizza sulla valutazione delle risposte fisiologiche del mutante, a differenti regimi di illuminazione in termini di: crescita, efficienza fotosintetica e contenuto di pigmenti. Come atteso, queste analisi preliminari mostrano un calo dell'efficienza fotosintetica del mutante I 48, rispetto al ceppo parentale, in caso di esposizione prolungata ad elevate intensità luminose. Tale sensibilità non è però stata osservata in caso di trattamento con luci fluttuanti e, in tutte le condizioni testate, la crescita e la composizione in pigmenti dei due ceppi risultano comparabili. Queste osservazioni, unite all'aumento di produttività di biomassa del mutante rispetto al WT registrato in condizioni che simulano quelle di coltivazione in PBR, suggeriscono che l'utilizzo di questi mutanti, in determinate condizioni, possa migliorare le rese della produzione industriale di microalghe. Il meccanismo di Non-Photochemical Quencing (NPQ) viene attivato e modulato in risposta a varie tipologie di stress e ciò fa presupporre che proteine differenti ne controllino l'attività. Un recente studio sulla regolazione dell'NPQ nella diatomea Phaeodactylum tricornutum ha dimostrato una specificità di risposta delle varie proteine LCHX alle diverse condizioni di stress. La presenza d
Caratterizzazione fenotipica di un mutante alterato nell'apparato fotosintetico di Nannochloropsis gaditana
MAGRI, SILVIA
2015/2016
Abstract
Il costante aumento della domanda di energia unito al crescente impatto ambientale causato dalla liberazione in atmosfera di CO2 derivante dall'utilizzo di combustibili fossili rende sempre più necessaria la ricerca di nuove fonti energetiche che siano rinnovabili, ecocompatibili ed economicamente competitive. La produzione di combustibili a partire da biomasse risulta essere un'alternativa promettente ai derivati del petrolio, soprattutto nel settore dei trasporti. Una delle possibilità più interessanti è la produzione di biocarburanti a partire da microalghe. La coltivazione di questi organismi può essere effettuata su terreni marginali, non entra in conflitto con la produzione alimentare e non ha particolari richieste in termini di nutrienti, infatti le microalghe per crescere sfruttano la CO2 e la luce solare. Tra le tante specie considerate, Nannochloropsis gaditana sembra essere un candidato molto promettente, in quanto in grado di accumulare, soprattutto in condizioni di stress da carenza di azoto, più del 60 % del suo peso secco in lipidi. Nonostante l'elevato potenziale di questi organismi, la loro produzione su larga scala presenta ancora alcuni limiti. L'uso efficiente dell'energia luminosa è ostacolato dalle elevate concentrazioni cellulari che si raggiungono all'interno dei fotobioreattori (PBRs): le cellule presenti nello strato più superficiale sono sottoposte ad un eccesso di luce, mentre quelle più interne subiscono un rallentamento della crescita a causa dell'ombreggiatura. È necessario quindi ottimizzare il processo fotosintetico al fine di limitare la dissipazione dell'energia in eccesso e aumentarne le rese in condizioni di bassa illuminazione. L'isolamento e la caratterizzazione di mutanti fotosintetici di N. gaditana, che meglio si possono adattare alle condizioni di crescita artificiali, risulta essere uno step fondamentale. In questo lavoro quindi è stato condotto uno studio atto a delineare il fenotipo del mutante I 48, precedentemente selezionato per la mancanza della componente veloce (qE) del meccanismo di fotoprotezione probabilmente imputabile alla presenza di uno SNP a livello gene codificante per la proteina antenna LHCX1. La prima parte del lavoro si focalizza sulla valutazione delle risposte fisiologiche del mutante, a differenti regimi di illuminazione in termini di: crescita, efficienza fotosintetica e contenuto di pigmenti. Come atteso, queste analisi preliminari mostrano un calo dell'efficienza fotosintetica del mutante I 48, rispetto al ceppo parentale, in caso di esposizione prolungata ad elevate intensità luminose. Tale sensibilità non è però stata osservata in caso di trattamento con luci fluttuanti e, in tutte le condizioni testate, la crescita e la composizione in pigmenti dei due ceppi risultano comparabili. Queste osservazioni, unite all'aumento di produttività di biomassa del mutante rispetto al WT registrato in condizioni che simulano quelle di coltivazione in PBR, suggeriscono che l'utilizzo di questi mutanti, in determinate condizioni, possa migliorare le rese della produzione industriale di microalghe. Il meccanismo di Non-Photochemical Quencing (NPQ) viene attivato e modulato in risposta a varie tipologie di stress e ciò fa presupporre che proteine differenti ne controllino l'attività. Un recente studio sulla regolazione dell'NPQ nella diatomea Phaeodactylum tricornutum ha dimostrato una specificità di risposta delle varie proteine LCHX alle diverse condizioni di stress. La presenza d| File | Dimensione | Formato | |
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