以雨生红球藻为模式的产虾青素微藻在高光下的碳分配机制

Large amounts of carbohydrates and fatty acids are formed during the astaxanthin accumulated in astaxanthin-producting algae (eg. Haematococcus pluvialis). Both interplay of fatty acids and carbohydrates, and close coordination between astaxanthin and fatty acid biosynthesis are found in algae. In astaxanthin-producing microalgae, carbon is allocated into the carbohydrates, carbohydrates, fatty acids and carotenoids after carbon fixation. So, carbon substrate competition happens in the three major carbon productions in algal cells. Therefore, study on the molecular mechanisms of carbon partition in the whole cell has important implications in understanding and genetic engineering of astaxanthin-producing microalgae to enhance astanxhanthin production by carbon flux regulation. In this research, the molecular compositions in carbohydrates, fatty acids and carotenoids in H. pluvialis were quantified. The biosynthesis of carbohydrates (eg. starch), fatty acid and astaxanthin will be dissected using metabolomic and enzymatic technics. Then, the effect of central carbon metabolism on the carbon partition in H. pluvialis under high light condition will be studied further. This work will provide valuable informaiton and theoretical support to increase astaxanthin production in microalgae (eg. H. pluvialis).

雨生红球藻等产虾青素的微藻在积累虾青素的同时，伴随着大量的碳水化合物和脂肪酸的合成。其中，研究表明微藻中的碳水化合物和脂肪酸合成之间、脂肪酸与虾青素合成之间分别存在相互影响的关系。在产虾青素的微藻细胞中，碳被固定后，被分配到碳水化合物、脂肪酸、类胡萝卜素等物质中。这三类物质是微藻细胞中碳存在的三种主要形式，共同竞争碳源底物。因此，从全细胞系统的维度考察碳在各代谢路径中的分配机制，对今后利用调整碳分配流，理性地设计诱导雨生红球藻提高虾青素产量有重要意义。本项目将通过分析高光胁迫下雨生红球藻细胞内碳水化合物、脂肪酸、类胡萝卜素等主要碳产物的分子组成及含量，结合代谢水平与酶水平双重分析手段研究高光胁迫下三大碳产物的合成，同时考察中心碳代谢在碳分配中的作用，进而解析雨生红球藻在高光胁迫下的碳分配机制，为通过遗传操作提高雨生红球藻等微藻生产虾青素的能力提供参考。

雨生红球藻等产虾青素的微藻在积累虾青素的同时，伴随着大量的碳水化合物和脂肪酸的合成。碳水化合物、脂肪酸、类胡萝卜素是微藻细胞中碳存在的三种主要形式，共同竞争着碳底物。本项目采用全细胞差异蛋白组学方法结合生化组成分析研究雨生红球藻对高光胁迫的碳代谢调控。结果表明，高光使雨生红球藻通过光合作用固定的碳减少，异养吸收的碳增加。高光初期雨生红球藻先以淀粉的形式存储碳源。随着高光时间的延长，淀粉开始降解，糖酵解途径活跃，将此前以淀粉的形式存储的碳源降解，生成更多的丙酮酸，使更多的碳源流向MEP/DOXP途径，为虾青素合成提供更多的碳骨架。可见，在采用高光诱导雨生红球藻合成虾青素的同时，适当补充异养碳源或过量表达吸收异养碳源的相关酶将是促进虾青素积累的有效方式。这为今后理性地设计诱导雨生红球藻提高虾青素产量提供一定的理论支持。.项目在原计划基础上进行拓展，探讨了不同光照强度对微拟球藻生化组成、虾青素合成的影响，并采用差异蛋白组方法研究高光下微藻碳代谢及光保护调节机制。结果表明，高光使卡尔文循环、糖酵解途径更加活跃，固定更多的碳进而生成更多的乙酰辅酶A用于虾青素等类胡萝卜素的合成。此外，本研究提出了微拟球藻应对高光条件的一种调节机制：短期策略和长期策略。当微拟球藻暴露在高光下时，短期内，光系统通过降低叶绿素a含量和光系统相关蛋白的丰度来调控适应光强变化。过量吸收的能量通过上调氧化酶和增强叶黄素循环的去环氧化作用而耗散。随着高光时间的延长，抗氧化物质在细胞内积累，虾青素等类胡萝卜素开始积累并用于清除细胞内过量的活性氧。本研究提出的调控模式为这种产虾青素的微藻应对高光所采用的不同策略提供了一个基本的理解。