Recent breakthroughs in the biology of astaxanthin accumulation by microalgal cell
- 作者
- Alexei E. Solovchenko
- 杂志
- Photosynthesis Research（2015）
- DOI
- 10.1007/s11120-015-0156-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻细胞中虾青素积累的生物学机制尚不完全清楚，尤其是虾青素生物合成的诱导、调控及其与胁迫耐受性的复杂关系，以及如何提高微藻虾青素产量。
研究策略
综述近年利用基因组学、蛋白质组学、代谢组学等“组学”方法研究雨生红球藻等产虾青素微藻的类胡萝卜素合成、脂质耦合积累及胁迫响应机制，并探讨生物技术应用。
核心内容
该综述整合多组学数据，系统梳理了雨生红球藻中虾青素积累的生物学机制。研究指出，虾青素积累并非单一的代谢产物堆积，而是多层次胁迫保护机制的核心组成部分，与碳水化合物和脂肪酸代谢紧密整合。关键发现包括：雨生红球藻可积累高达细胞干重3–5%的虾青素，且天然产物为光学纯(3S,3'S)构型，远优于仅含25%活性异构体的合成品；虾青素酯构成约70%单酯、25%二酯和5%游离酮类胡萝卜素。脂滴被定义为虾青素生物合成与储存的双重工厂，其蛋白HOGP在氮缺乏/高光胁迫12小时内增加100倍以上。此外，虾青素与脂肪酸合成在代谢物水平而非转录水平耦合，红色细胞脂肪酸含量可达干重30–60%，其中不饱和脂肪酸占比超80%。外源激素如GA3和EBR能在转录及翻译后水平上调多个类胡萝卜素合成基因（如Bkt2、Psy）以提高产率。该综述提出通过菌株工程扩大脂滴容量，有望突破虾青素含量5%干重的上限，且提取后的残渣可进一步转化为生物燃料，实现全细胞利用。
创新点
整合多组学数据，提出虾青素积累是多层次胁迫保护机制；明确脂滴不仅是储存场所也是虾青素生物合成的工厂；提出虾青素与脂肪酸生物合成在代谢物水平而非转录水平上耦合。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Ipi1 | IPP异构酶 | 催化 | 受氧化胁迫诱导的Ipi1基因 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Ipi2 | IPP异构酶 | 催化 | 翻译调控的Ipi2基因 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Psy | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Pds1 | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱饱和 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Zds1 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素脱饱和 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | LcyB | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素转化为β-胡萝卜素 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | ChyB | 3,3'-羟化酶 CRTR | 催化 | 催化β-胡萝卜素3,3'位羟基化 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | CrtO | 4,4'-酮醇酶 CRTO | 催化 | 催化β-胡萝卜素4,4'位酮基化，存在于叶绿体和脂滴 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Bkt1 | BKT酮醇酶 | 催化 | H. pluvialis中多种BKT之一 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Bkt2 | BKT酮醇酶 | 催化 | 受GA3和胁迫上调 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | Bkt3 | BKT酮醇酶 | 催化 | 在E. coli中表达时转化玉米黄质效率最低 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成（DOXP途径） | ptox1 | 质体末端氧化酶 PTOX1 | 能量供给 | 参与虾青素合成，将O2还原为H2O，其上调与虾青素合成相关 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成（DOXP途径） | ptox2 | 质体末端氧化酶 PTOX2 | 能量供给 | 参与虾青素合成，上调与虾青素合成相关性不如PTOX1 |
| Haematococcus pluvialis | 脂质代谢 | HOGP | Haematococcus油滴蛋白 | 区室化 | 脂滴形成的主要蛋白，胁迫12小时内增加100倍以上 |
| Haematococcus pluvialis | 脂质代谢 | — | 二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 催化虾青素酯化，驱动虾青素积累 |
| Haematococcus pluvialis | 能量代谢 | — | 苹果酸酶 | 能量供给 | 在胁迫诱导的脂肪酸生物合成中起关键作用，可能为脂肪酸合成提供NADPH或代谢前体 |
| Haematococcus pluvialis | 抗氧化防御 | — | 超氧化物歧化酶 | 调控 | 胁迫初期上调，与过氧化氢酶、过氧化物酶共同保护细胞 |
| Haematococcus pluvialis | 抗氧化防御 | — | 过氧化氢酶 | 调控 | 胁迫初期上调 |
| Haematococcus pluvialis | 抗氧化防御 | — | 过氧化物酶 | 调控 | 胁迫初期上调 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | CrtR-B | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 其转录水平与虾青素积累呈线性相关 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 虾青素生物合成途径 | CrBKT | 类胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 比H. pluvialis BKT3转化玉米黄质更高效 |
| Chlorella (Chromochloris) zofingiensis | 虾青素生物合成途径 | CzBKT | 类胡萝卜素酮醇酶 | 催化 | 比H. pluvialis BKT3转化玉米黄质更高效 |
关键发现
- 雨生红球藻可积累高达细胞干重3-5%的虾青素，天然虾青素光学纯(3S,3'S)而合成品仅含25%活性异构体
- 虾青素酯组成约70%单酯、25%二酯、5%游离酮类胡萝卜素
- 红色细胞脂肪酸含量可达干重30-60%，其中>80%不饱和
- 中性脂最高可达干重32.99%
- 脂滴蛋白HOGP在氮缺乏/高光胁迫12小时内增加100倍以上
- 虾青素合成消耗O2可使细胞内稳态O2浓度相对下降>10%
- GA3在20 mg/L和40 mg/L时分别更有效上调Bkt2和Ipi-2、Psy、Bkt2
- EBR在25-50 mg/L浓度范围内通过转录和翻译后水平上调8个类胡萝卜素合成基因提高虾青素产率。
研究结论
虾青素积累是微藻应对胁迫的复杂调控机制，与碳水化合物和脂肪酸代谢紧密整合；脂滴在虾青素合成和储存中发挥关键作用；通过菌株工程尤其是扩大脂滴容量有望突破虾青素含量5%干重的阈值；提取虾青素后的残渣可转化为生物燃料。