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近日，中科院海洋研究所實驗海洋生物學重點實驗室傳來消息，該室藻類與藻類生物技術(shù)團隊在紅球藻蝦青素資源開發(fā)領(lǐng)域取得重要進展。劉建國研究員團隊發(fā)現(xiàn)，無氧呼吸糖酵解（EMP）、有氧呼吸三羧酸循環(huán)（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(chǎn)生重要調(diào)節(jié)作用。相關(guān)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(shù)類一區(qū)《Bioresource Technology》（IF=9.642）發(fā)表，衍生出的相關(guān)技術(shù)成果分別申報了4項國家發(fā)明專利，其中2項已獲專利授權(quán)。

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(yǎng)健康食品、醫(yī)藥保健和化妝品等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)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(chǎn)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(qū)動和營養(yǎng)虧缺誘導，國內(nèi)外研究大多側(cè)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(guān)注分解消耗性的呼吸作用。即便近年來關(guān)注呼吸，也僅涉及光依賴型的光呼吸與葉綠體呼吸作用。

劉建國團隊發(fā)現(xiàn)光呼吸對蝦青素合成具重要調(diào)控作用，證實葉綠體呼吸途徑并非通過減少過剩激發(fā)能、降低對光合機構(gòu)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(xiàn)保護綠色游動細胞免受光損傷的。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(nèi)外卻鮮有報道。

劉建國研究團隊發(fā)現(xiàn)并證實多種非光依賴型呼吸代謝途徑可有效調(diào)控紅球藻蝦青素合成積累。研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)，當交替氧化酶途徑受到抑制后，與呼吸作用密切相關(guān)的中間代謝產(chǎn)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(zhì)NADPH的產(chǎn)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(diào)節(jié)呼吸作用可促進紅球藻蝦青素生物合成積累的新觀點。

此外，團隊通過外源添加呼吸作用中間代謝產(chǎn)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(huán)，可為蝦青素合成過程提供碳骨架，促進蝦青素在細胞內(nèi)的大量積累。其調(diào)節(jié)機制具體為：中間代謝產(chǎn)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(huán)的另一代謝產(chǎn)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。

據(jù)悉，這些新成果完善了紅球藻蝦青素規(guī)模化開發(fā)的基礎(chǔ)理論和開發(fā)技術(shù)體系，有利于完善基于細胞周期調(diào)控和大型封閉式光生物反應(yīng)器構(gòu)建等技術(shù)的紅球藻開發(fā)模式，使植物細胞光合工廠的運轉(zhuǎn)更加高效，推動該產(chǎn)業(yè)開發(fā)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(zhì)的研究與資源開發(fā)都具有明顯的啟發(fā)和借鑒價值。

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

論文相關(guān)信息：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126275

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125788

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126484