红球藻厚壁细胞萌动分裂到游动细胞释放过程的代谢变化研究

Haematococcus pluvialis is of most interest since it can accumulate a large amount of strong antioxidant astaxanthin. Most existing researches pay attention to increase biomass of motile cells, non-motile cells formation and astaxanthin accumulation processes, while little work was studied on the release of motile cells from high-astaxanthin contenting akinete. The metabolic changes during this process were not clear yet. In this project, we decide to perform transcriptome sequencing of alga cells at different time points of development, find the differences of expression patterns between them, and clarify the possible mechanism of molecular regulation. Besides, the changes of photosynthesis and respiratory in H. pluvialis during this process will be studied. The special changes on physiology and biochemistry will be systemically researched. Finally, real-time quantitative PCR, western blot and inhibitor/intermediate metabolite introduction verified experiments can be implemented to prove the crucial function of these genes and metabolites. It will provide a more comprehensive understanding of the biological characters and rules during germinaton and release process. In addition, it is also expected to provide technical guidance to improve the speed of germplasm propagation and accelerate the industrialization of H. pluvialis.

雨生红球藻可大量累积强抗氧化性虾青素而备受关注，以往研究多关注游动细胞增殖、转化为不动细胞和虾青素积累过程，而对富含虾青素的厚壁不动细胞萌动、重新分裂释放游动细胞的关注甚少，对该过程的代谢变化尚不清楚。本项目针对该过程不同时间节点，采用转录组测序，探究基因表达的时空变化，阐明可能存在的独特分子调控机制；对比研究红球藻光合、呼吸等代谢的交替规律，着重阐述该过程独特生理生化代谢变化，揭示能够完成此过程的生理调节机制；通过定量PCR、蛋白检测和引入抑制剂/中间代谢产物实验，验证关键基因和代谢物等在不同时间的作用方式。目的全面深入地了解红球藻在厚壁不动细胞萌动分裂过程中特有的生物学特征和规律，并有望为提高红球藻种质扩繁速度，加快红球藻产业化进程提供技术指导。

雨生红球藻可大量累积强抗氧化性虾青素而备受关注。本研究分别对红球藻萌动分裂过程及虾青素积累（游动向不动细胞转变）过程展开研究，并得出如下主要结论：.1）通过红球藻厚壁细胞萌动分裂过程四个关键点转录组测序数据比较，筛选得到2202个差异表达基因并重点分析了此过程中碳脂代谢的调控模式。首先，淀粉和脂质代谢的两个关键酶α淀粉酶和乙酰辅酶A酰基转移酶整个过程中均持续上调表达，意味着该过程中淀粉和脂质在重新分配。第一阶段糖酵解过程限速酶表达量降低的同时，乙醛酸循环体中脂肪酸降解效率提高，这为三羧酸循环提供了底物（乙酰辅酶A）保障。第二阶段，多个碳代谢（9个）和脂代谢（8个）相关差异表达基因同步上调表达很可能会提高细胞碳脂代谢效率，并进一步形成淀粉和脂质的生成和消耗的平衡。第三阶段，碳代谢相关差异表达基因保持高表达水平，而脂代谢相关差异表达基因出现下调表达，推断此阶段碳代谢占据主导地位，并为游动细胞释放提供足够的ATP和NADH（NADPH）。 .2）通过对雨生红球藻游动细胞生长和虾青素积累过程7个特定时间点转录本的分析，进一步证实藻细胞在米黄色游动向棕色不动细胞转变（P4）期间发生了细胞转化。相较于其他积累类胡萝卜素植物，胡萝卜素ε单氧酶，紫黄质去环氧酶，9-顺式环氧胡萝卜素加双氧酶和β-胡萝卜素羟化酶3的低表达可能是雨生红藻虾青素积累的一个重要原因。番茄红素β环化酶和番茄红素ε环化酶所呈现的相反表达模式很可能是雨生红球藻大量积累β-胡萝卜素而非δ-胡萝卜素的一个调控策略。.3）测定了红球藻萌动分裂过程光合放氧和呼吸耗氧速率、并分析了光合电子传递链的状态，光系统I和光系统II的活性以及环式电子传递的相对大小。明确了红球藻萌动分裂过程中φPo未出现显著差异，光系统PSII和反应中心均未受到伤害。PI指数在第二和第三阶段出现明显上升，说明此过程中光能吸收增加，进一步验证了我们从转录层面所得到的第二和第三阶段代谢活动增强的结论。