Transcriptome sequencing and metabolic pathways of astaxanthin accumulated in Haematococcus pluvialis mutant under 15% CO2
- 作者
- Jun Cheng, Ke Li, Yanxia Zhu, Weijuan Yang, Junhu Zhou, Kefa Cen
- 单位
- State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2016.12.084
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析60Co-γ射线诱变和15% CO2驯化的雨生红球藻突变体虾青素产量提高的分子机制
研究策略
对15% CO2和高光诱导的突变体红色细胞进行转录组测序和注释，与空气条件下的野生型比较，通过差异表达基因分析及GO/KEGG富集，聚焦丙酮酸代谢、类胡萝卜素生物合成和脂肪酸生物合成途径
核心内容
该研究通过60Co-γ射线诱变结合15% CO2驯化获得雨生红球藻高产虾青素突变体，并利用转录组测序解析其分子机制。突变体在15% CO2下虾青素产量为野生型在空气条件下的2.7倍。共鉴定到1947个差异表达基因，其中56%上调。代谢通路分析显示，碳代谢发生重编程：丙酮酸代谢关键酶丙酮酸激酶上调3.5倍，丙酮酸脱氢酶E1组分β亚基上调3.7倍，乙酰辅酶A合成酶上调2.9倍，NADP依赖性苹果酸酶上调8.9倍，为类胡萝卜素合成提供充足前体。类胡萝卜素合成途径中番茄红素β-环化酶、ζ-胡萝卜素脱饱和酶、八氢番茄红素合成酶分别上调5.8、4.4和10.4倍，β-胡萝卜素羟化酶上调18.4倍，加速虾青素生成。脂肪酸合成相关基因FAB2、FabG、ACSL分别上调95.7、35和19倍，促进脂肪酸合成以酯化虾青素并沉积于脂滴。该研究首次从转录组水平阐明γ射线诱变与高浓度CO2驯化通过增强丙酮酸代谢和脂肪酸合成驱动虾青素积累的机制，为微藻高产虾青素的代谢工程改造提供了靶点依据。
创新点
结合γ射线诱变与高浓度CO2驯化获得高产虾青素突变体，首次从转录组水平揭示碳代谢重编程（丙酮酸代谢增强、脂肪酸合成促进酯化沉积）驱动虾青素积累的机制
研究对象（27）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | MDH2 | 苹果酸脱氢酶 | 催化 | 上调3.47倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | NADP-ME | NADP依赖性苹果酸脱氢酶（氧化草酰乙酸脱羧） | 催化 | 上调8.9倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | PDHB | 丙酮酸脱氢酶E1组分β亚基 | 催化 | 上调3.73倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | DLD | 二氢硫辛酰胺脱氢酶 | 催化 | 上调4.93倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | aceB | 苹果酸合酶 | 催化 | 上调3.71倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | PK | 丙酮酸激酶 | 催化 | 上调3.54倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | ppdK | 丙酮酸磷酸双激酶 | 催化 | 上调2.71倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | pckA | 磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（ATP） | 催化 | 下调至0.14倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | fumA | 延胡索酸水合酶I类 | 催化 | 上调4.43倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | ACSS | 乙酰辅酶A合成酶 | 催化 | 上调2.9倍 |
| Haematococcus pluvialis | 丙酮酸代谢 | PC | 丙酮酸羧化酶 | 催化 | 上调7.45倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 15-顺式-八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 上调3.19倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 上调4.41倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 上调10.43倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | lcyB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 上调5.83倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | β-胡萝卜素3-羟化酶 | 催化 | 上调18.39倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | LUT5 | β环羟化酶 | 催化 | 上调5.3倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | FAB2 | 酰基-[酰基载体蛋白]脱饱和酶 | 催化 | 上调95.72倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | FATA | 脂肪酸酰基-ACP硫酯酶A | 催化 | 上调8.33倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | ACSL | 长链酰基-CoA合成酶 | 催化 | 上调19倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | accC | 乙酰-CoA羧化酶生物素羧化酶亚基 | 催化 | 上调2.95倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | accA | 乙酰-CoA羧化酶羧基转移酶亚基α | 催化 | 上调3.62倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | accD | 乙酰-CoA羧化酶羧基转移酶亚基β | 催化 | 显著上调（Inf） |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | accB | 乙酰-CoA羧化酶生物素羧基载体蛋白 | 催化 | 上调3.08倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | fabD | [酰基载体蛋白] S-丙二酰转移酶 | 催化 | 上调6.74倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | fabG | 3-氧代酰基-[酰基载体蛋白]还原酶 | 催化 | 上调35倍 |
| Haematococcus pluvialis | 脂肪酸生物合成 | fabH | 3-氧代酰基-[酰基载体蛋白]合酶III | 催化 | 上调3.13倍 |
关键发现
- 突变体在15% CO2下虾青素产量为野生型在空气下的2.7倍（摘要提及提高1.7倍）
- 共鉴定1947个差异表达基因，其中56%（1097个）上调
- 丙酮酸激酶（PK）上调3.5倍
- PDHB上调3.7倍、ACSS上调2.9倍、PC上调7.4倍、NADP-ME上调8.9倍
- 类胡萝卜素合成相关基因PSY、ZDS、lcyB分别上调10.4倍、4.4倍、5.8倍，crtZ上调18.4倍
- 脂肪酸合成相关基因FAB2上调95.7倍、FATA上调8.3倍、ACSL上调19倍、accA上调3.6倍、FabD上调6.7倍、FabH上调3.1倍、FabG上调35倍
研究结论
γ射线诱变和15% CO2驯化通过上调β-胡萝卜素合成（PSY、ZDS、lcyB）及转化（crtZ）基因加速虾青素生成；丙酮酸代谢增强提供充足前体；乙酰-CoA合成与羧化作用增强促进脂肪酸合成，从而促进虾青素酯化和脂滴沉积，最终显著提高虾青素产量