Production of carotenoids by microalgae: achievements and challenges
- 作者
- João C. Varela, Hugo Pereira, Marta Vila, Rosa León
- 杂志
- Photosynthesis Research（2015）
- DOI
- 10.1007/s11120-015-0149-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻类胡萝卜素生物合成途径的调控机制尚不完全清楚，且多数工业微藻缺乏稳定高效的遗传转化体系，限制了通过基因工程改造提高类胡萝卜素产量。
研究策略
通过综述环境胁迫对类胡萝卜素积累的诱导作用、类胡萝卜素生物合成途径的酶学与调控，以及代谢工程和合成生物学策略，分析当前成就与挑战。
核心内容
该文系统综述了微藻类胡萝卜素生物合成途径的酶学调控、环境胁迫诱导机制以及代谢工程改造策略。研究整合了微藻基因组与高通量数据，重点分析了在莱茵衣藻中过表达外源八氢番茄红素合成酶基因使类胡萝卜素含量提升2倍，在雨生红球藻中表达抗norflurazon的突变型八氢番茄红素脱氢酶可提高虾青素积累，以及通过RNA干扰沉默PDS或PSY基因获得低类胡萝卜素突变株等关键进展。杜氏盐藻可积累类胡萝卜素达细胞干重的14%，2010年全球类胡萝卜素市场约12亿美元，其中β-胡萝卜素、叶黄素和虾青素占总价值60%。文章指出遗传工程是提高产量的有前景策略，但受制于转化效率低和调控机制不明等瓶颈；随着基因组测序和合成生物学发展，未来有望实现高产菌株的理性设计与构建。
创新点
整合了最新微藻基因组与高通量数据，提出了利用质体转化和合成生物学工程改造微藻类胡萝卜素途径的前景。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶 (PSY) | 催化 | 第一个限速酶，在多种胁迫条件下表达上调 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | psy（外源） | 八氢番茄红素合酶 (PSY) | 催化 | 过表达使类胡萝卜素含量提高2倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | pds（突变型） | 八氢番茄红素脱氢酶 (PDS) | 催化 | 突变型PDS赋予norflurazon抗性并加速虾青素合成 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | lcyB | 番茄红素β-环化酶 (LCYB) | 催化 | 催化番茄红素环化形成β-胡萝卜素，受胁迫诱导 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | bkt（来自H. pluvialis） | β-胡萝卜素酮化酶 (BKT) | 催化 | 表达后合成野生型不存在的酮类胡萝卜素 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | zep | 玉米黄质环氧化酶 (ZEP) | 催化 | 参与紫黄素循环 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | vde（候选VDR1） | 紫黄素脱环氧酶 (VDE) | 催化 | 拟议的VDR1蛋白，实验尚未证实 |
关键发现
- Dunaliella salina可积累类胡萝卜素达细胞干重的14%
- 2010年全球类胡萝卜素市场约12亿美元，其中β-胡萝卜素、叶黄素和虾青素占总市场价值的60%
- 在Chlamydomonas reinhardtii中过表达外源phytoene synthase（PSY）基因使类胡萝卜素含量增加2倍
- 在Haematococcus pluvialis中表达抗norflurazon的突变型八氢番茄红素脱氢酶（PDS）基因可提高虾青素积累
- RNA干扰沉默Chlamydomonas的PDS或PSY基因可获得低类胡萝卜素含量突变株。
研究结论
遗传工程是提高微藻类胡萝卜素产量的有前景策略，但需克服转化效率低和调控机制不明等瓶颈。随着基因组测序、RNA-seq和合成生物学的发展，未来有望实现高产类胡萝卜素微藻菌株的理性设计与构建。