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                海洋所在紅球藻蝦青素資源開發研究中取得進展

                2022-01-11 16:06:45 中國科學院海洋所 7482

                近日,海洋所藻類與藻類生物技術團隊在紅球藻蝦青素資源開發領域取得重要進展,發現無氧呼吸糖酵解(EMP)、有氧呼吸三羧酸循環(TCA)、戊糖磷酸途徑(PPP)和線粒體呼吸交替氧化酶途徑(AOX)等多種非光依賴型代謝途徑都對紅球藻蝦青素的合成積累產生重要調節作用。相關理論成果以3篇研究論文在國際Top期刊生物資源工程技術類一區《Bioresource Technology》(IF=9.642)發表,衍生出的相關技術成果分別申報了4項國家發明專利,其中2項已獲專利授權。 


                蝦青素呈鮮紅色,具有非常強的著色、抗氧化能力和多種生物學功能,在營養健康食品、醫藥保健和化妝品等領域都有廣闊的應用前景。而紅球藻是一種富含蝦青素的單細胞綠藻,也是國際上生產天然蝦青素的最好生物資源。以往認為,紅球藻蝦青素的生物合成過程主要受強光驅動和營養虧缺誘導,國內外研究大多側重于光依賴型合成代謝過程(如光合作用、光保護和細胞生長等),很少關注分解消耗性的呼吸作用。即便近年來關注呼吸,也僅涉及光依賴型的光呼吸與葉綠體呼吸作用。例如劉建國研究員團隊發現光呼吸對蝦青素合成具重要調控作用(Algal Research,2019,41: 101520),證實葉綠體呼吸途徑并非通過減少過剩激發能、降低對光合機構的直接破壞,而是通過緩解活性氧等抑制的光損傷修復、實現保護綠色游動細胞免受光損傷的(Algal Research,2021,54:102140)。至于非光依賴型呼吸代謝途徑對紅球藻蝦青素合成積累的作用,國內外卻鮮有報道。 

                劉建國研究團隊發現并證實多種非光依賴型呼吸代謝途徑可有效調控紅球藻蝦青素合成積累。其中,張立濤副研究員為第一作者、劉建國研究員為通訊作者的研究論文發現,線粒體呼吸的交替氧化酶途徑活性與紅球藻蝦青素積累呈明顯負相關,當交替氧化酶途徑受到抑制后,與呼吸作用密切相關的中間代謝產物丙酮酸和三磷酸甘油醛含量均顯著提高,同時促進能量物質NADPH的產生,并刺激了活性氧的積累,從而有利于促進蝦青素合成。由此提出調節呼吸作用可促進紅球藻蝦青素生物合成積累的新觀點。 

                博士研究生于文杰為第一作者,劉建國研究員為通訊作者的另外兩篇文章,主要通過外源添加呼吸作用中間代謝產物的方法,進一步證實非光依賴性呼吸作用的能量代謝中心樞紐——TCA循環,可為蝦青素合成過程提供碳骨架,促進蝦青素在細胞內的大量積累。其調節機制具體為:中間代謝產物延胡索酸可提高呼吸代謝的EMP、TCA和PPP三條主要途徑,使得丙酮酸和三磷酸甘油醛水平顯著提高,一方面通過促進蝦青素合成前體異戊烯焦磷酸的生成,直接促進蝦青素合成,另一方面還促進了脂肪酸的合成,進而加速蝦青素酯化過程,間接促進蝦青素合成。TCA循環的另一代謝產物草酰乙酸可通過提高底物和NADPH水平,直接促進紅球藻蝦青素合成。相對而言,草酰乙酸的促進作用比延胡索酸更快,效果也更顯著,主要得益于草酰乙酸更高效的跨膜機制。 

                云南愛爾發蝦青素

                非光依賴型呼吸作用調控紅球藻蝦青素合成與累積的模式圖


                上述成果完善了紅球藻蝦青素規模化開發的基礎理論和開發技術體系,將有利于完善基于細胞周期調控和大型封閉式光生物反應器構建等技術的紅球藻開發模式,使植物細胞光合工廠的運轉更加高效,推動該產業開發水平再上新臺階。同時研究成果還對其它微藻類胡蘿卜素等次生代謝物質的研究與資源開發都具有明顯的啟發和借鑒價值。 

                上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上基金和聯合基金等項目資助。 

                論文信息: 

                (1) Zhang LT, Zhang CH, Xu R, Yu WJ, Liu JG (2021) A strategy for promoting carbon flux into fatty acid and astaxanthin biosynthesis by inhibiting the alternative oxidase respiratory pathway in Haematococcus pluvialis. Bioresource Technology, 344: 126275.  

                (2) Yu WJ, Zhang LT, Zhao J, Liu JG (2021) Exogenous sodium fumarate enhances astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis by enhancing the respiratory metabolic pathway. Bioresource Technology, 341: 125788. 

                (3) Yu WJ, Zhang LT, Zhao J, Liu JG (2021) Enhancement of astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis by exogenous oxaloacetate combined with nitrogen deficiency. Bioresource Technology, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126484. 

                來源:中國科學院海洋研究所

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