Differential Expression of Carotenogenic Genes, Associated Changes on Astaxanthin Production and Photosynthesis Features Induced by JA in H. pluvialis
- 作者
- Zhengquan Gao, Chunxiao Meng, Xiaowen Zhang, Dong Xu, Yuefeng Zhao, Yitao Wang, Hongxin Lv, Liming Yang, Lingling Chen, Naihao Ye
- 单位
- State Key Laboratory of Agricultural Microbiology, College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural University; School of Life Sciences, Shandong University of Technology; Yellow Sea Fishery Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences; Qingdao Agricultural University
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0042243
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明外源茉莉酸（JA）对雨生红球藻虾青素生物合成相关基因转录表达的影响及其与光合作用变化的关系
研究策略
以不同浓度JA（25 mg/L和50 mg/L）处理雨生红球藻，利用实时荧光定量PCR检测8个类胡萝卜素合成相关基因的表达动态，同时测定虾青素积累量和光合荧光参数（Fv/Fm、Y(II)、NPQ）
研究路线图
核心内容
以25 mg/L和50 mg/L两种浓度的外源茉莉酸处理雨生红球藻，通过实时荧光定量PCR追踪8个类胡萝卜素合成基因的表达动态，并同步测定虾青素积累与光合荧光参数。结果显示，茉莉酸显著抑制藻细胞生长但大幅促进虾青素合成：处理18天时，25 mg/L组的虾青素产量达到1.458 mg/L，50 mg/L组为1.129 mg/L，而对照组仅0.0468 mg/L。基因表达呈现浓度依赖性差异，25 mg/L茉莉酸使pds、crtR-B和lyc转录上调超10倍，其中pds在第8天达到27.5倍；50 mg/L处理下ipi-1、ipi-2、psy和crtO在第3天分别上调13.4、11.2、15.2和12.0倍。光合参数方面，两种浓度处理18天后Fv/Fm分别下降59.1%和73.1%，Y(II)下降77.6%和80.9%，NPQ则增加4.45倍和2.68倍。研究表明，外源茉莉酸通过转录水平调控多数类胡萝卜素合成基因来促进虾青素积累，但ipi-1和ipi-2在低浓度下受转录后调控、高浓度下受转录调控；虾青素积累伴随光合效率降低和热耗散增强，证实了其光保护功能，为优化虾青素工业化生产提供了调控策略依据。
创新点
首次系统报道JA对雨生红球藻中8种类胡萝卜素合成基因表达动力学的影响，并揭示不同基因对JA浓度的差异化响应模式及转录/转录后调控层次
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | ipi-1 | 异戊烯基二磷酸异构酶1 | 催化 | JA50处理下第3天表达上调13.4倍；JA25下可能参与转录后调控 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | ipi-2 | 异戊烯基二磷酸异构酶2 | 催化 | JA50处理下第3天表达上调11.2倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | JA50处理下第3天表达上调15.2倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | pds | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | JA25处理下第8天表达上调27.5倍；JA25下上调>10倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | lyc | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | JA25处理下第8天表达上调10倍；JA25下上调>10倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | crtR-B | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | JA25和JA50处理下分别在第8天和第4天达23倍和20倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | bkt2 | β-胡萝卜素酮化酶2 | 催化 | JA25和JA50处理下最高表达仅2.5倍和3.2倍（第10天） |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素/虾青素生物合成 | crtO | β-胡萝卜素酮化酶（crtO型） | 催化 | JA50处理下第3天表达上调12.0倍 |
关键发现
- JA处理显著抑制藻细胞生长并促进虾青素积累：JA25处理第18天虾青素产量达1.458 mg/L，JA50为1.129 mg/L，对照组仅0.0468 mg/L。JA25使pds、crtR-B和lyc转录表达上调超过10倍
- JA50使ipi-1（13.4倍）、ipi-2（11.2倍）、psy（15.2倍）和crtO（12.0倍）显著上调（第3天）。pds在JA25第8天达27.5倍，crtR-B在JA25和JA50分别达23倍和20倍（第8天和第4天）。光合参数方面，JA25和JA50处理18天后Fv/Fm分别下降59.1%和73.1%，Y(II)下降77.6%和80.9%，NPQ分别增加4.45倍和2.68倍。
研究结论
外源JA能有效诱导雨生红球藻积累虾青素，虾青素积累主要源于类胡萝卜素合成基因的上调表达；不同浓度JA对8个基因的调控模式存在差异，其中ipi-1和ipi-2在JA25下为转录后调控，在JA50下为转录调控，而其他基因主要受转录水平调控。虾青素积累与光合效率下降及NPQ升高直接相关，证实了虾青素的光保护作用。