雨生红球藻光自养高密度培养条件的优化及相关转录组学研究

摘要

雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是隶属于绿藻门（Chlorophyta）、团藻目（Volvocales）、红球藻属（Haematococcus）的淡水微藻，是目前已知的天然虾青素含量最高的生物，利用雨生红球藻生产天然虾青素一直是国际上微藻领域的研究热点。本研究以实验室保藏的三株雨生红球藻（JNU-30、JNU-17、JNU-35）为材料，采用两步法培养模式，优化其光自养培养条件并通过转录组测序分析其高产虾青素的代谢机制。实验对三株藻株进行筛选，并针对培养基、氮源及初始氮浓度、CO2浓度、诱导光强、反应器光径等一系列条件进行优化。结果显示，JNU-17和JNU-35为潜力藻株，其适合的培养基为BBM培养基，最佳氮源为(NH2)2CO，18mmol/L的初始氮浓度最有利于生长。在此基础上，分别在两步法的第一阶段和第二阶段采用光径为6cm和3cm的柱状生物反应器，通入1%CO2进行培养并在第二阶段采用双侧高光进行诱导，大幅提高了藻细胞的生物量和虾青素产率。最终，在“6cm→3cm→双侧高光”的优化条件下，JNU-17和JNU-35的生物量分别达到16.03g/L和20.76g/L，虾青素含量分别为3.34%和2.73%，虾青素产率分别达到17.86mg/L/d和18.89mg/L/d。此外，在两步法的第一阶段适当延长JNU-35的培养时间并补充氮源，可使其最终生物量达到27g/L。JNU-35生长快，易沉降，抗污染能力强，是大规模养殖的潜力藻株。 以“全氮-无氮-两步法”培养JNU-35，选取培养过程中的8个时相点，进行比较转录组学研究，重构该株藻的虾青素合成途径和中心碳代谢途径。结果显示，JNU-35中IPP的合成主要通过MEP途径，虾青素合成途径中的一些旁支途径在培养中后期显著下调，促进虾青素的积累。在虾青素快速积累期间，糖酵解、淀粉降解等分解代谢过程被上调，并以TCA循环为代谢枢纽，结合戊糖磷酸途径、氧化磷酸化等能量代谢途径产生更多能量，驱动卡尔文循环运转，增加碳固定，同时，加强环式电子流的运转使得藻细胞始终维持较强的光合作用能力，促进藻细胞的生长。

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