高光和氮缺乏胁迫下十个雨生红球藻虾青素合成相关基因顺式作用元件的协同作用

Astaxanthin， a type of high-value ketocarotenoids, is of great commercial interest because of its high anti-oxidant activity with a variety of usage. The unicellular green alga Haematococcus pluvialis accumulates the astaxanthin, with a level reaching up to 4% dry weight under environmental stress. We have cloned two functional genes, with an emphasis on the 5'-flanking regions containing cis-acting elements obtained by genome walking and functional determionation, which provides a clue of the regulation network at transcription level. Do these cis-elements also exist in other astaxanthin biosynthesis related genes in Haematococcus pluvialis ? How do they co-work together? We plan to construct the database of 5'flanking regions for 10 genes involved in astaxanthin biosynthesis. By using the homology compararing strategy, the cis-elements in the above 10 genes in Haematococcus pluvialis will be predicted and their functions will be revealed by experiments under the stress (high light plus/or nitrogen deficiency). Based on the transcription analysis by using gene chips, the primary network of regulation at the transcriptional level would be constructed, which may facilitate the sophisticated understanding of the astaxanthin biosynthesis in Haematococcus pluvialis.

虾青素是一种具有极强抗氧化性和广泛应用价值的次生类胡萝卜素。雨生红球藻是理想的天然虾青素生产工具，但虾青素的合成总是发生在不适合生物量积累的逆境胁迫条件下，例如高光和氮缺乏。本课题组对雨生红球藻虾青素合成关键酶--酮化酶和羟化酶基因的5'-侧翼序列进行了研究，发现了大量与逆境胁迫相关的顺式作用元件，并进行了功能验证，为转录水平的调控研究提供了重要线索。这些作用元件是否存也存在于其它合成相关的酶基因的5'-侧翼序列中？是否共同参与逆境胁迫条件下转录水平的调控？是如何协同作用？ 本项目拟建立参与虾青素合成的10个酶基因的5'-侧翼序列数据库，通过同源比对方法预测顺式作用元件，并利用实验室建立的实验体系进行功能验证。在高光和氮缺乏分别和双重逆境下，结合转录组测序和芯片技术，研究十个基因顺式作用元件之间的协同作用，为全面揭示雨生红球藻虾青素合成的转录调控网络机制奠定科学基础。

虾青素是一种具有极强抗氧化性和广泛应用价值的次生类胡萝卜素。雨生红球藻是理想的天然虾青素生产工具，但虾青素的合成总是发生在不适合生物量积累的逆境胁迫条件下，例如高光和氮缺乏。本课题组开展了雨生红球藻虾青素合成相关基因（ZDS、LYCE、CYP97A、CYP97B、CYP97C和CRTISO）的克隆及序列分析，并对部分基因进行了转录水平检测、重组表达和功能研究。为了比较不同物种来源类胡萝卜素羟化酶在序列特征、起源、结构及表达方面的差异，针对雨生红球藻近源绿藻（凯氏拟小球藻）进行了CYP97C的克隆、序列分析及表达研究。然后采用基因组步移方法开展虾青素合成相关基因5'-侧翼序列中顺式作用元件的预测及研究，并尝试针对雨生红球藻进行全基因组测序，以期高通量挖掘虾青素合成相关功能基因5'-侧翼序列。为探讨高光等逆境胁迫下，雨生红球藻虾青素合成关键酶转录水平调控机制，针对正常培养条件下，高白光和高蓝光诱导下雨生红球藻转录组进行了测序，初步揭示了雨生红球藻高光适应机制。并采用遗传转化较为成熟的集胞藻PCC6803进行遗传转化和功能研究，发现蓝藻特有的丝/苏氨酸激酶spkC在集胞藻PCC6803适应高温胁迫过程中对类胡萝卜素合成具有调控作用，为建立蓝藻二元信号转导系统介导的类胡萝卜素合成信号网络提供线索。