小分子有机物GL缓解红球藻光抑制并促进虾青素积累的机制

The super-antioxidant astaxanthin has wide application and bright future in many fields. Haematococcus pluvialis is the optimal source for natural astaxanthin production. In outdoor large-scale cultures of H. pluvialis, alleviating photoinhibition of cells caused by strong light and enhancing astaxanthin content have always been urgent problems to be solved. And our previous study indicates that exogenous glycerol can protect cells against photoinhibition, as well as accelerate astaxanthin accumulation in H. pluvialis. While the mechanisms of photoinhibition alleviation and astaxanthin content enhancement by adding glycerol in H. pluvialis has not been clarified. In this project, in order to analyze molecular mechanisms of photoinhibition alleviation by adding glycerol, the changes in state of photosynthetic electron transport chain, photodamage and photorepair of photosystems, photoinhibition defense pathway after adding glycerol will be determined. Moreover, the effects of exogenous glycerol on key genes/proteins expression and products contents in glycerol metabolism, primary metabolisms (photosynthesis, respiration and fatty acid metabolism) and astaxanthin biosynthesis pathway will be analyzed. Meanwhile, combined with thanscriptomic, proteomic and metabonomic approaches, the mechanisms of astaxanthin content enhancement by adding glycerol in H. pluvialis will be clarified. The results of this project could provide theoretical supports in artificial regulation or genetic engineering methods, for improving the tolerance to photoinhibitory stress and capacity of astaxanthin biosynthesis in H. pluvialis.

虾青素因具有极强的抗氧化性而备受关注，养殖红球藻是获取天然虾青素的最佳途径。红球藻规模化养殖过程中，如何避免户外强光胁迫引起的光抑制和提高虾青素含量是该产业亟待解决的问题。经过大量筛选，我们发现小分子有机物丙三醇（GL）可以明显缓解红球藻光抑制并提高其虾青素含量，那么GL的作用机制是什么？这对于户外红球藻养殖具有重要指导意义却未见报道。为此，本项目通过研究红球藻光合电子传递、光合系统损伤与修复过程、光抑制防御途径对GL的响应规律，阐明GL缓解光抑制的方式和分子机制；同时对比研究外施GL后，红球藻GL的分解转化途径、光合/呼吸/脂肪酸合成等初生代谢过程及虾青素合成途径关键基因/蛋白的表达及产物的含量变化，结合转录、蛋白质及代谢组学数据明确GL促进虾青素积累的过程和分子机制。本项目从新的角度探寻提高虾青素产量的途径，为通过人工调控或遗传改良提高红球藻抗光抑制能力和虾青素含量提供理论依据。

虾青素因具有极强的抗氧化性而备受关注，养殖红球藻是获取天然虾青素的最佳途径。红球藻规模化养殖过程中，如何避免户外强光胁迫引起的光抑制和提高虾青素含量是该产业亟待解决的问题。我们发现小分子有机物丙三醇（GL）可以明显缓解红球藻光抑制并提高其虾青素含量。针对GL的作用机制尚不清楚的问题，本课题着重探究了GL缓解红球藻光抑制并促进虾青素积累的机制。主要结果如下：. （1）强光条件下，红球藻在培养阶段转换时发生了严重的光抑制；而外施GL明显降低了其光抑制程度。实验表明，外源GL并没有维持红球藻光合系统的稳定；而是通过降低红球藻细胞中活性氧的积累，减轻活性氧对光合系统关键蛋白修复过程的抑制，从而缓解红球藻的强光光抑制，保护其正常生长和虾青素积累过程。. （2）外源GL亦可以通过诱导光抑制防御途径NPQ协同缓解光抑制，其诱导机制可能与光合环式电子传递活性的升高有关。. （3）通过转录组学及代谢组学等多组学分析，筛选出光合电子传递、光合碳同化、三羧酸循环及呼吸电子传递等多条在GL促进虾青素积累过程中变化比较明显的初生代谢途径和信号转导途径。. （4）证明外源GL没有改变红球藻生物量、叶绿素含量及光合活性，而可以通过改变光合作用、呼吸作用等初生代谢途径，增加底物（GAP和丙酮酸）的生成直接促进虾青素的合成；亦可以通过提高脂肪酸和总脂含量、促进虾青素的酯化过程，从而间接加速虾青素的生物合成。. 以上结果揭示了GL缓解红球藻光抑制的机制，可更精确的提出避免培养阶段转换过程中光抑制发生的人工调控方法；阐明了GL促进虾青素积累的机制，提出了提高虾青素含量的人工调控方法，并为红球藻的遗传改良以提高虾青素合成能力提供新靶点。