微藻是初级生产者, 能够通过光合作用吸收二氧化碳, 释放氧气, 在生态系统中有举足轻重的地位。微藻在形态上主要以单细胞或简单的多细胞形式存在, 主要包括蓝藻、绿藻和硅藻等[1]。某些微藻在特殊条件下能够生产氢气、脂类等, 是有效的新能源生产者, 具有巨大的潜在研究利用价值[2-3]。同时, 微藻在污水处理[4]、二氧化碳吸收[5]及重金属污染治理[6]方面也有良好效果。一些微藻经过基因工程改造可以作为良好的细胞工厂, 用于生产高附加值产品, 如用于药品的植物次生代谢产物和植物源病毒抗体等[7]。微藻含有丰富的蛋白质、维生素和微量元素, 可以用作鱼类饲料、食品、保健品和药品等产品的原料[8]。

目前已经实现大规模产业化生产的经济微藻有螺旋藻、小球藻、杜氏盐藻和雨生红球藻等。螺旋藻主要用于水产动物饲料和保健品, 主要生产地是我国福建、江西、海南和内蒙古等地区[9]。日本、美国、前苏联等国家率先开发小球藻作为单细胞蛋白, 其后日本将小球藻开发为食品、健康及美容产品系列。此外小球藻还在环境污染治理中, 发挥着重要作用。中国在20世纪60年代初展开了对小球藻的研究和开发利用, 但未能持续, 目前大规模生产企业较少, 与国外养殖水平差距较大[10-11]。杜氏盐藻在食品、医药保健以及化工和养殖业中具有独特经济价值。这种藻类在澳大利亚、美国和以色列等国家已经实现了工业化生产。其产业化所涉及方面主要是β-胡萝卜素类保健品、化妆品、营养补充剂和藻粉等[12]。内蒙古兰太实业有限公司已生产大量藻粉投入市场[13]。雨生红球藻能生产具有极强抗氧化能力的天然虾青素, 可广泛运用于食品、药品、化妆品及动物饲料中。2010年我国已批准雨生红球藻为新资源食品[14]。2017年虾青素全球市场价值为5.5亿美元, 并且以每年8%的速度增长, 预计到2022年产值能达到8亿美元, 有较好的产业化前景[15]。

微藻在人类生产生活的各个领域发挥着越来越重要的作用。为了开发更加适合特殊领域需求的微藻种株, 有必要通过一定的手段进行种质资源的培育, 从而得到用于产业化的工程藻类[16]。微藻多采用无性繁殖手段进行繁殖, 因此不能像传统农作物那样进行杂交育种[17]。通过人工手段增加微藻的基因突变几率并通过有效手段进行人工筛选, 可以得到特定性状的藻种, 这种方法成为基因诱变育种。基因诱变育种的诱变方式主要包括物理诱变和化学诱变, 其原理是通过物理或者化学的手段, 增加细胞中基因突变的概率, 通过设置特定的条件进行筛选, 最终获得具有优良性状的藻种, 用于研究和生产实践[1]。此外常用的藻种改良方法还包括传统的品种选育技术、基因工程技术[18]以及合成生物学技术等[19]。采用人工育种技术改良藻种, 对于选育特定性状藻种, 适用于不同生产需要, 有重要的意义[20-21]。

基因诱变育种相对于其他的育种方法有很大的技术优势。首先基因诱变方法产生的藻种不属于转基因植物[17], 不受到转基因植物的种植和运用限制。由于转基因植物存在对环境和生态的潜在威胁[22-23], 各个国家和地区出对转基因植物的大规模种植和使用作出了限制[24]。基因工程育种产生的藻种属于转基因植物, 其大规模生产及产品的运用受较大影响[25]。基因诱变是通过人工手段增加了基因的突变频率, 这种突变是自然界中普遍存在的, 只是人为增加了频率, 没有引入其他物种的基因和报告基因序列, 其筛选过程也只是将具有特定性状的藻种从众多突变体中选择出来。基因诱变过程完全模拟自然突变和自然选择, 因此不属于转基因植物[17]。人工诱变所需设备简单, 操作容易, 对实验室经费要求和人员操作要求不高。相较于基因工程和合成生物学等方法, 适用的范围广, 对藻种没有严格限制, 不需要对其遗传背景深入研究, 周期短, 容易产生突变株。

基因诱变方法也存在一定挑战, 一是如何选择适当的筛选方法和筛选平台以保证符合目标的优良藻株被选择出来; 二是诱变是随机的, 需要大量的样本才能筛选到符合要求的藻种, 对于实验样本量有一定要求。尽管如此, 基因诱变的方法以及其在微藻育种中的实际运用近年均发展迅速, 为此,