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近日，中科院海洋研究所實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傳來消息，該室藻類與藻類生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)在紅球藻蝦青素資源開發(fā)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。劉建國研究員團(tuán)隊(duì)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(bào)了4項(xiàng)國家發(fā)明專利，其中2項(xiàng)已獲專利授權(quán)。

蝦青素呈鮮紅色，具有非常強(qiáng)的著色、抗氧化能力和多種生物學(xué)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(xì)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(rèn)為，紅球藻蝦青素的生物合成過程主要受強(qiáng)光驅(qū)動和營養(yǎng)虧缺誘導(dǎo)，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(hù)和細(xì)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光呼吸對蝦青素合成具重要調(diào)控作用，證實(shí)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(jī)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(fù)、實(shí)現(xiàn)保護(hù)綠色游動細(xì)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(bào)道。

劉建國研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)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(fù)相關(guān)，當(dāng)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(shí)促進(jìn)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(jìn)蝦青素合成。由此提出調(diào)節(jié)呼吸作用可促進(jìn)紅球藻蝦青素生物合成積累的新觀點(diǎn)。

此外，團(tuán)隊(duì)通過外源添加呼吸作用中間代謝產(chǎn)物的方法，進(jìn)一步證實(shí)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(jìn)蝦青素在細(xì)胞內(nèi)的大量積累。其調(diào)節(jié)機(jī)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(jìn)蝦青素合成前體異戊烯焦磷酸的生成，直接促進(jìn)蝦青素合成，另一方面還促進(jìn)了脂肪酸的合成，進(jìn)而加速蝦青素酯化過程，間接促進(jìn)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(jìn)紅球藻蝦青素合成。相對而言，草酰乙酸的促進(jìn)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(jī)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(xì)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(xì)胞光合工廠的運(yùn)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(shí)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(jià)值。

上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上基金和聯(lián)合基金等項(xiàng)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