铜在非生物胁迫条件下促进雨生红球藻虾青素和脂质共积累中的作用
雨生红球藻因能在强光（HL）、缺氮（ND）和化学暴露等非生物胁迫下合成丰富的虾青素和脂质，被认为是目前最具潜力生产虾青素的单细胞藻类。在微藻中，Ca2+和ROS可调节非生物胁迫下的生长和代谢物的产生。低剂量的外源性Cu可间接作为诱导因子，促进编码抗氧化酶基因表达，从而降低ROS水平。已有研究表明，Cu可参与微藻中的信号转导，但并未表明金属元素是否可诱导微藻中胡萝卜素和脂质的生成。在雨生红球藻中，虾青素和脂质之间的联系，以及它们的合成如何受到Cu和不利条件的影响，仍然不清楚。
年5月，昆明理工大学生命科学与技术学院研究人员郭航等在《BioresourceTechnology》上发表名为《RoleofcopperintheenhancementofastaxanthinandlipidcoaccumulationinHaematococcuspluvialisexposedtoabioticstressconditions》的研究性论文。该研究测定了在HL和ND条件下，低剂量Cu处理对雨生红藻生物量、虾青素、脂质和生化指标的影响。研究了与胡萝卜素生成和脂肪生成相关的基因，以及抗氧化酶、Ca2+和ROS水平。此外，还研究了在逆境条件下Cu对微藻中CDPKs和MAPKs的影响。该研究描述了虾青素与脂质合成之间的潜在联系，并提出了一种利用虾青素与脂质共积累的低成本策略和新方法。
研究人员在HL和ND条件下，使用不同浓度Cu处理雨生红球藻，并测定其生物量、虾青素和脂质含量。结果表明，2、4和6μMCu处理对生物量无显著影响，8μMCu处理显著抑制微藻生物量（图1A）。在Cu诱导15天后，添加4和6μMCu显著提高了虾青素的含量,6μMCu处理下显著提高脂质的含量（图1C），而8μMCu处理下的虾青素积累在第11天后显著低于未处理组，这可能是由于其生物量较低(图1B)。
图1.在HL和ND条件下，不同浓度的Cu诱导雨生红球藻生物量(A)和虾青素含量(B)，以及6μM-Cu诱导雨生红球藻的脂类含量(C)
在6μMCu处理下测定了叶绿素、碳水化合物和蛋白质含量，结果如图2所示，叶绿素含量在0-3d突然升高，然后急剧下降（图2A），这可能是因为在一定程度上，Cu诱导会破坏微藻的叶绿体结构，导致叶绿素的降解。因此，外源Cu降低了雨生红球藻叶绿素含量，这可能与虾青素和脂类的生物合成有关。而蛋白质和碳水化合物含量表现出与虾青素和脂类相反变化趋势（图2B和2C）。
图2.在HL和ND条件下，6μM-Cu诱导雨生红球藻的叶绿素(A)、蛋白质(B)和碳水化合物(C)的含量
研究人员测定了与胡萝卜素和脂肪生成相关的基因表达量，结果如图3所示，Cu处理组lcy、bkt和chy转录水平显著上调（图3A），这与Cu诱导虾青素三天后含量显著增加相一致。此外，脂肪生成相关基因（acp、fad和sad）的表达水平显著上调（图3B），这与胡萝卜素生成相关基因的表达一致。基因表达分析表明，在Cu诱导下，这6个基因在转录水平上与虾青素和脂质合成平行上调，表明，铜诱导可以通过上调这6个基因在逆境条件下的转录表达，增加虾青素和脂类的共积累。
图3.在HL和ND条件下，6μM-Cu诱导雨生红球藻虾青素和脂质生物合成相关基因(A、B)的转录水平
在逆境条件下，ROS可在藻中大量积累，过量的ROS可直接导致细胞死亡。作为微藻中的重要信号分子，ROS是微藻细胞维持稳定状态所必需的，它影响防御机制的激活和次生代谢物的生物合成。在整个诱导期，ROS水平呈先升后降的趋势，Cu诱导11d后ROS水平显著低于对照组(图4A)，ROS水平可能与雨生红球藻暴露胁迫条件下虾青素和脂质的积累有关。此外，分析了两种抗氧化酶(SOD和CAT)基因的转录水平。7天后，Cu诱导藻细胞中cat和sod的表达水平明显上调(图4B)。这些结果表明外源Cu的加入上调了抗氧化酶基因的转录水平，从而降低了胁迫诱导的ROS水平，这可能参与了雨生红藻对HL和ND条件的响应中虾青素和脂质的共同积累。
图4.在HL和ND条件下，6μM-Cu诱导雨生红球藻的ROS水平(A)和抗氧化酶编码基因(B)的转录水平
为了研究Ca2+信号在Cu诱导虾青素和脂质共积累中的作用，测定了细胞内Ca2+水平和细胞内cam、cdpk和mapk的表达水平。Cu处理组在第7、11和15天Ca2+水平显著升高(图5A)，表明Ca2+可能缓解微藻的非生物胁迫。在Cu诱导后，cam的表达水平上调，并与Ca2+水平的升高相一致(图5B)。这些结果表明，Cu的加入可能通过诱导cam转录水平的上调来提高雨生红球藻细胞内Ca2+的水平，从而提高细胞内Ca2+浓度，从而提高细胞内Ca2+浓度。与对照组相比，Cu诱导的cdpk表达水平在第7天和第11天明显上调，mapk基因表达水平在第3、7、11天上调。此外，cdpk和mapk的表达水平变化趋势基本一致（图5C）。
图5.在HL和ND条件下，6μM-Cu诱导雨生红球藻细胞内Ca2+水平(A)、cam表达(B)、cdpk和mapk表达(C)以及细胞内Cu2+(D)水平
综上，该研究证实在HL和ND条件下，添加Cu是一种有效且低成本的促进虾青素和脂类共积累的策略。Cu诱导了虾青素和脂质生物合成所需的生化成分的重新分布。Cu的应用通过激活抗氧化酶和提高细胞内Ca2+水平来减轻氧化应激，这涉及CDPKs和MAPKs的调节。值得注意的是，有必要进一步研究Cu诱导下雨生红球藻Ca2+、CDPK、MAPK和ROS信号转导与胡萝卜素合成和脂肪生成之间的复杂关系。
参考文献：
GuoH,LiT,ZhaoY,YuX.RoleofcopperintheenhancementofastaxanthinandlipidcoaccumulationinHaematococcuspluvialisexposedtoabioticstressconditions.BioresourTechnol.Sep;:.doi:10./j.biortech...EpubMay12.PMID:.
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