Рост ряски в фотоавтотрофных, гетеротрофных и миксотрофных условиях

Ряска (подсемейство Lemnoideae) — группа высших водных растений семейства Araceae, часто встречающаяся в пресноводных местообитаниях. Она широко изучается как модельное растение в фундаментальных исследованиях (фотосинтез, морфогенез, эволюция) и для промышленного применения (производство биоэнергии, очистка сточных вод, пища, корм, биореакторы).

Ключевое условие для этих применений — способность ряски быстро накапливать большую биомассу (например, крахмал или белок). Оптимизация стратегий культивирования для достижения высокой продуктивности биомассы важна для снижения стоимости биотехнологической переработки ряски.

Исследовательская группа под руководством профессора Хоу Хунвэя из Института гидробиологии Китайской академии наук сообщила, что многокоренник обыкновенный (Spirodela polyrhiza), высшее растение, демонстрирует естественное метаболическое разнообразие. Он не ограничен фотоавтотрофным ростом, но также может использовать различные органические источники углерода для поддержания гетеротрофного и миксотрофного роста. Исследование опубликовано в журнале Bioresource Technology.

Учёные изучили влияние типа питания на:

• Скорость роста и накопление биомассы.
• Физиолого-биохимические изменения (содержание хлорофилла, крахмала и белка).
• Скорость поглощения питательных веществ и органического углерода.

Было показано, что в гетеротрофных условиях (в темноте) новые листецы были желтовато-белыми из-за отсутствия биосинтеза фотосинтетических пигментов. Содержание хлорофилла у миксотрофно выращенной ряски было ниже, чем у фотоавтотрофной. Также выяснилось, что миксотрофный рост может ослаблять фотосинтетический потенциал растений по сравнению с фотоавтотрофным.

Ключевые результаты:

• Скорость миксотрофного роста была в 4,98 и 6,22 раза выше, чем при гетеротрофном и фотоавтотрофном росте соответственно.
• При миксотрофии производилось больше биомассы, чем простая сумма биомассы, накопленной при отдельном гетеротрофном или фотоавтотрофном росте. Это указывает на синергетический эффект от добавления органического источника углерода к фотоавтотрофным условиям.
• Однако точный механизм этого эффекта требует дальнейшего изучения, включая взаимосвязь между хлоропластами и митохондриями, фотосинтезом и дыханием, потоком энергии и распределением углерода.

Интересно, что миксотрофная ряска достигла наибольшего выхода крахмала, но имела более низкое содержание крахмала, чем при гетеротрофии. Поэтому исследователи рекомендуют стратегию комбинации гетеротрофии и миксотрофии для получения максимального производства биомассы, обогащённой крахмалом.

Кроме того, миксотрофно выращенная ряска демонстрировала значительно усиленное поглощение питательных веществ и органического углерода из среды по сравнению с другими типами питания.

Это исследование создаёт парадигму для будущих работ по производству биомассы (крахмала и белка) на основе ряски и очистке органических сточных вод. Метаболическое разнообразие ряски может дать новое понимание для исследований метаболизма высших растений и заложить основу для дальнейшего изучения механизмов фотосинтеза.