Enhancement of carotenoids by mutation and stress induced carotenogenic genes in Haematococcus pluvialis mutants
- 作者
- B. Sandesh Kamath, R. Vidhyavathi, R. Sarada, G.A. Ravishankar
- 单位
- Plant Cell Biotechnology Department, Central Food Technological Research Institute, KRS Road, Mysore 570 020, India
- 杂志
- Bioresource Technology（2008）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2008.04.013
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
通过诱变和除草剂筛选获得虾青素高产的雨生红球藻突变株，并解析类胡萝卜素合成基因的表达变化
研究策略
采用UV、EMS和NTG诱变处理雨生红球藻，以除草剂草铵膦（glufosinate）筛选抗性突变株，比较突变株与野生型的生长、类胡萝卜素含量、光合活性、番茄红素环化酶活性和类胡萝卜素合成基因转录水平
研究路线图
核心内容
本研究通过UV、EMS和NTG三种诱变方式处理雨生红球藻，并以广谱除草剂草铵膦进行抗性筛选，成功获得多个类胡萝卜素和虾青素高产的突变株。与野生型相比，突变株的总类胡萝卜素和虾青素含量提高了23%–59%，其中NTG诱变获得的草铵膦抗性突变株N5表现最为突出，虾青素含量达到3.51%（w/w），总类胡萝卜素含量达4.08%（w/w），而野生型分别为2.18%和2.55%。分子水平分析显示，突变株中类胡萝卜素合成关键基因PSY、PDS、LCY、BKT和CHY的转录水平较野生型分别上调13–18倍、14–17倍、3倍、3–22倍和6–20倍，其中番茄红素环化酶活性在UV突变株U1中最高，达458 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h，约为野生型（105 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h）的4.4倍。此外，突变株N5和E3在草铵膦存在下仍能维持较高的光合活性，Fv值较野生型高1.5–2.0倍。结果表明，诱变结合除草剂筛选能有效激活类胡萝卜素合成途径的转录调控，是获得虾青素高产工业菌株的可行策略。
创新点
利用广谱除草剂草铵膦筛选高虾青素产量突变株；揭示突变株中PSY、PDS、LCY、BKT、CHY等类胡萝卜素合成基因表达显著上调
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | Phytoene synthase (八氢番茄红素合酶) | 催化 | 突变株中转录水平较野生型高13-18倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | Phytoene desaturase (八氢番茄红素脱氢酶) | 催化 | 突变株中转录水平较野生型高14-17倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | LCY | Lycopene cyclase (番茄红素环化酶) | 催化 | 突变株中转录水平较野生型高3倍；U1突变株活性458 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | BKT | β-carotene ketolase (β-胡萝卜素酮化酶) | 催化 | 突变株中转录水平较野生型高3-22倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | CHY | β-carotene hydroxylase (β-胡萝卜素羟化酶) | 催化 | 突变株中转录水平较野生型高6-20倍 |
关键发现
- 突变株总类胡萝卜素和虾青素含量较野生型提高23%–59%
- NTG处理的草铵膦抗性突变株N5虾青素含量达3.51%（w/w），总类胡萝卜素4.08%（w/w），而野生型分别为2.18%和2.55%
- NTG突变株虾青素含量从2.2%提高到3.8%（w/w）
- 突变株中PSY、PDS、LCY、BKT、CHY的转录水平分别比野生型高13–18、14–17、3、3–22和6–20倍
- UV突变株U1的番茄红素环化酶活性最高（458 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h），NTG突变株N2为315 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h，野生型为105 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h
- N5在胁迫后酶活最高（172 nmol β-胡萝卜素/mg蛋白/h）
- 突变株N5和E3在草铵膦存在下保持光合活性，Fv较野生型高1.5–2.0倍。
研究结论
诱变结合草铵膦筛选成功获得了类胡萝卜素和虾青素含量提高的H. pluvialis突变株，其类胡萝卜素合成基因的表达上调是产量提高的分子基础，为虾青素商业生产提供了优良菌株。