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。例如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研究论文发现，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。
博士研究生于文杰为第一作者，刘建国研究员为通讯作者的另外两篇文章，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：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。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。
非光依赖型呼吸作用调控红球藻虾青素合成与累积的模式图
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体系，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基金和联合基金等项目资助。
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 inHaematococcus pluvialisby 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
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