近日，青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生物学与技术功能实验室藻类与藻类生物技术团队在红球藻虾青素资源开发领域取得重要进展，发现多种非光依赖型代谢途径 [包括：无氧呼吸糖酵解（EMP）、有氧呼吸三羧酸循环（TCA）、戊糖磷酸途径（PPP）和线粒体呼吸交替氧化酶途径（AOX）等] 都对红球藻虾青素的合成积累产生重要调节作用。相关理论成果于2021年以3篇研究论文形式，分别由国际工程技术类一区Top期刊Bioresource Technology（生物资源技术）(IF=9.642)接受发表；而衍生出的相关技术成果，分别申报了4项国家发明专利，其中2项已获专利授权。
虾青素呈鲜红色，具有非常强的着色、抗氧化能力和多种生物学功能，在营养健康食品、医药保健和化妆品等领域都有广阔的应用前景。而红球藻是一种富含虾青素的单细胞绿藻，也是国际上生产天然虾青素的最好生物资源。以往认为：红球藻虾青素的生物合成过程主要受强光驱动和营养亏缺诱导，国内外研究大多侧重于光依赖型合成代谢过程（如光合作用、光保护和细胞生长等），很少关注分解消耗性的呼吸作用。即便近年来关注呼吸，也仅涉及光依赖型的光呼吸与叶绿体呼吸作用。如海洋试点国家实验室刘建国研究员团队发现光呼吸对虾青素合成具重要调控作用（Algal Research，2019，41:101520），证实叶绿体呼吸途径并非通过减少过剩激发能、降低对光合机构的直接破坏，而是通过缓解活性氧等抑制的光损伤修复、实现保护绿色游动细胞免受光损伤的（Algal Research，2021，54：102140）。至于非光依赖型呼吸代谢途径对红球藻虾青素合成积累的作用，国内外却鲜有报道。
刘建国研究团队发现并证实：多种非光依赖型呼吸代谢途径可有效调控红球藻虾青素合成积累。其中，张立涛副研究员为第一作者、刘建国研究员为通讯作者的论文“A strategy for promoting carbon flux into fatty acid and astaxanthin biosynthesis by inhibiting the alternative oxidase respiratory pathway in Haematococcus pluvialis（一种通过抑制雨生红球藻的交替氧化酶呼吸途径促进碳流入脂肪酸和虾青素生物合成的策略）”。该研究发现线粒体呼吸的交替氧化酶途径活性与红球藻虾青素积累呈明显负相关，当交替氧化酶途径受到抑制后，与呼吸作用密切相关的中间代谢产物丙酮酸和三磷酸甘油醛含量均显著提高，同时促进能量物质NADPH的产生，并刺激了活性氧的积累，从而有利于促进虾青素合成。由此提出调节呼吸作用可促进红球藻虾青素生物合成积累的新观点。
于文杰博士研究生为第一作者、刘建国研究员为通讯作者的另2篇研究论文“Exogenous sodium fumarate enhances astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis by enhancing the respiratory metabolic pathway（外源延胡索酸钠通过增强呼吸代谢途径提高雨生红球藻中虾青素的积累）”和“Enhancement of astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis by exogenous oxaloacetate combined with nitrogen deficiency（外源草酰乙酸结合缺氮条件促进雨生红球藻虾青素积累）”。研究主要通过外源添加呼吸作用中间代谢产物的方法，进一步证实非光依赖性呼吸作用的能量代谢中心枢纽——TCA循环，可为虾青素合成过程提供碳骨架，促进虾青素在细胞内的大量积累。其调节机制具体为：1）中间代谢产物延胡索酸可提高呼吸代谢的EMP、TCA和PPP三条主要途径，使得丙酮酸和三磷酸甘油醛水平显著提高。一方面通过促进虾青素合成前体异戊烯焦磷酸的生成，直接促进虾青素合成；另一方面还促进了脂肪酸的合成，进而加速虾青素酯化过程，间接促进虾青素合成。2）TCA循环的另一代谢产物草酰乙酸可通过提高底物和NADPH水平，直接促进红球藻虾青素合成。相对而言，草酰乙酸的促进作用比延胡索酸更快，效果也更显著，主要得益于草酰乙酸更高效的跨膜机制。
上述成果完善了红球藻虾青素规模化开发的基础理论和开发技术，将有利于完善基于细胞周期调控和大型封闭式光生物反应器构建等技术的红球藻开发模式，使植物细胞光合工厂的运转更加高效，推动该产业开发水平再上新台阶；同时研究成果还对其它微藻类胡萝卜素等次生代谢物质的研究与资源开发都具有明显的启发和借鉴价值。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上和联合基金、以及TS产业领军人才工程等项目的资助。
论文链接：
(1)Zhang LT, Zhang CH, Xu R, Yu WJ, Liu JG (2021)A strategy for promoting carbon flux into fatty acid and astaxanthin biosynthesis by inhibiting the alternative oxidase respiratory pathway in Haematococcus pluvialis.Bioresource Technology, 344:126275.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852421016175?via%3Dihub
(2) Yu WJ, Zhang LT, Zhao J, Liu JG (2021) Exogenous sodium fumarate enhances astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis by enhancing the respiratory metabolic pathway. Bioresource Technology, 341: 125788.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852421011299?via%3Dihub
(3)Yu WJ, Zhang LT, Zhao J, Liu JG (2021) Enhancement of astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis by exogenous oxaloacetate combined with nitrogen deficiency. Bioresource Technology, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126484.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852421018265