Microalgae as a Source of Lutein: Chemistry, Biosynthesis, and Carotenogenesis
- 作者
- Zheng Sun, Tao Li, Zhi-gang Zhou, Yue Jiang
- DOI
- 10.1007/10_2015_331
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻作为叶黄素来源的化学、生物合成和类胡萝卜素生成调控，以及提高叶黄素产量所面临的挑战
研究策略
综述微藻叶黄素的生物合成途径（MEP途径、类胡萝卜素合成）、两种培养模式（光自养和异养）及其比较，并重点阐述类胡萝卜素生成的调控机制（细胞器间通讯、逆行调控、氧化应激刺激），提出基因工程和低成本碳源等未来策略
研究路线图
核心内容
该综述系统总结了微藻作为天然叶黄素来源的化学特性、生物合成途径及类胡萝卜素生成的调控机制。文章重点梳理了MEP途径和类胡萝卜素合成路径，对比了光自养与异养两种培养模式的优劣，并深入阐述了细胞器间通讯、逆行调控和氧化应激刺激等调控机制。关键数据显示，异养补料分批培养的C. protothecoides细胞干重达46.9 g/L，叶黄素产量为225.3 mg/L，而C. pyrenoidosa最高生物量可达104.9 g/L；异养模式下ATP生成较光自养提高超过600%。在调控策略方面，UV-A照射使D. bardawil的叶黄素和玉米黄质分别增加约3倍和5倍，添加ROS产生剂可使C. zofingiensis虾青素产量从9.9增至12.58 mg/L。全球叶黄素市场预计2018年达3.09亿美元，年复合增长率3.6%。作者提出通过基因工程优化生物合成途径、开发低成本碳源、整合废水处理和CO2固定等策略，可进一步提升微藻叶黄素生产的经济可行性。该综述为微藻叶黄素的工业化生产提供了系统的理论依据和可行的技术路线。
创新点
系统总结微藻叶黄素生物合成与调控的最新进展，包括逆行调控四类机制、氧化应激对类胡萝卜素生成的促进作用，并汇集了多种微藻的叶黄素含量数据
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlorella protothecoides | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 异养培养和补料分批培养生产叶黄素，含量4.6-5.4 mg/g，最高产量225.3 mg/L |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | Lcy-β | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 高光或低光+营养缺乏下mRNA水平升高，促进β-胡萝卜素积累 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 光照增强时转录水平升高 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 光照增强时转录水平升高 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | — | 番茄红素环化酶 | 催化 | 光照增强时转录水平升高 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | — | 胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 光照增强时转录水平升高 |
| Dunaliella bardawil | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | UV-A照射84h后叶黄素和玉米黄质分别增加约3倍和5倍 |
| Chlorella zofingiensis | 虾青素/类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 添加Fe2+和H2O2后虾青素产量从9.9增至12.58 mg/L |
| Dunaliella salina | MAPK信号通路 | MAPK | 丝裂原活化蛋白激酶 | 调控 | 表达受温度和盐度变化影响，与β-胡萝卜素积累相关 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 细胞应激响应 | p53 | p53肿瘤抑制蛋白 | 调控 | 介导应激反应，也在Volvox carteri中发现 |
| Arabidopsis thaliana | 叶绿体逆行调控 | STN7 | STN7类囊体蛋白激酶 | 调控 | 参与叶绿体氧化还原信号传导 |
| Arabidopsis thaliana | 四吡咯生物合成/逆行调控 | CHIH | Mg-螯合酶H亚基 | 调控 | 作为四吡咯传感器参与质体到细胞核信号传导 |
| 微藻（未指明） | 类胡萝卜素生物合成 | — | GGPP合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP逐步缩合生成GGPP |
| 植物线粒体 | 线粒体逆行调控 | AO | 交替氧化酶 | 调控 | 参与线粒体功能障碍时的核基因表达调控 |
| 高等植物/微藻 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtR-b | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素C-3位羟化生成玉米黄质 |
| 高等植物/微藻 | 类胡萝卜素生物合成 | CrtR-e | ε-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化α-胡萝卜素C-3'位羟化，与CrtR-b共同生成叶黄素 |
关键发现
- 全球叶黄素市场预计2018年达3.09亿美元，年复合增长率3.6%；微藻叶黄素含量：C. protothecoides
- 6–5.4 mg/g，D. salina
- 6±0.9 mg/g，S. almeriensis
- 3 mg/g，G. sulphuraria
- 4±0.1 mg/g；异养补料分批培养C. protothecoides细胞干重46.9 g/L，叶黄素产量225.3 mg/L；C. pyrenoidosa最高生物量104.9 g/L，最大生产力0.613 g/L/h；异养相对于光自养ATP生成超过600%；在C. pyrenoidosa中PP途径占葡萄糖代谢通量90%以上；D. bardawil经UV-A照射84h后叶黄素和玉米黄质分别增加约3倍和5倍；C. zofingiensis添加ROS产生剂后虾青素产量从9.9增至12.58 mg/L；C. protothecoides添加H2O2/NaClO后叶黄素含量从1.75增至1.98 mg/g；D. bardawil经叠氮化钠处理后β-胡萝卜素从11.7增至27.5 pg/cell
研究结论
微藻是叶黄素的可持续天然来源，异养培养和补料分批可显著提高产量；但需通过基因工程优化生物合成途径、开发低成本碳源，并整合废水处理和CO2固定以提升经济性。