雨生红球藻积累虾青素的分子基础与人工诱导调控研究进展

窦 勇，吴 琳，闫永芳，任虹烨，陈家宇，乔之怡，翟胜利，周文礼

( 1.天津农学院 水产学院，天津市水产生态及养殖重点实验室，天津 300384； 2.天津现代晨辉科技集团，天津 301802 )

雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)是一种单细胞微藻，在分类学上属绿藻门、绿藻纲、团藻目、红球藻科、红球藻属[1]。其生活史主要分为游动细胞阶段和不动细胞阶段。在外界环境条件适宜时，微藻以游动状态存在，依靠两条顶生、等长的鞭毛运动，这一阶段的细胞大多呈绿色，此时微藻生长旺盛，生物量积累迅速[2]。当雨生红球藻处于高光照度、高盐度及营养缺乏的胁迫条件时，细胞以红色厚壁孢子形式存在，此阶段细胞鞭毛脱落，运动能力丧失，开始逐渐合成并积累虾青素[3]。

虾青素是一种脂溶性的次级类胡萝卜素，属于萜烯类的不饱和化合物[4]。虾青素是目前为止在自然界有机体中发现的抗氧化能力最强的物质，它清除自由基和单线态氧淬灭的能力远远高于维生素E，比玉米黄质、番茄红素及β胡萝卜素等常见抗氧化物质的抗氧化能力高10倍以上，此外虾青素还具有抑制肿瘤、提高免疫力的作用，目前被用作保健品辅料和食品添加剂[5-7]。虾青素还有良好的着色效果，可以进入生物体并贮存在组织中，农业部2003年[318]号公告中指定天然虾青素为水产动物唯一着色剂[8-9]。雨生红球藻细胞内的虾青素含量占细胞干质量的1.5%～4.0%，而且全部是高生物活性的3S，3′S形态，因此被公认为是自然界中生产天然虾青素的最佳“生物反应器”[10]。深入了解雨生红球藻合成、积累虾青素的分子基础，探索人工诱导雨生红球藻合成虾青素的技术手段，对于利用雨生红球藻这一“生物反应器”生产天然虾青素具有十分重要的现实意义。

1 雨生红球藻积累虾青素的分子基础

雨生红球藻在胁迫作用下合成虾青素的生物化学途径虽已得到充分认识，但该过程同时伴随着细胞形态和结构转变以及生理生化、遗传网络、代谢通路层面的变化，而且这些变化穿插发生在细胞质、叶绿体、内质网及细胞核等亚细胞结构中，并受到基因表达、转录调控、翻译后修饰等不同层次的调节[11-14]。有文献指出，通过虾青素关键酶基因的转录和翻译水平的调控及酶蛋白翻译后的活性调控是实现雨生红球藻虾青素诱导合成的主要机制[15]。由此看来，雨生红球藻合成虾青素的生理代谢过程是极其复杂的，许多研究人员对此进行了深入研究，逐渐对该过程的代谢、遗传调控网络有了较为清晰的认识，但其中还有许多问题目前仍无法清晰解释[16-20]。

1.1 与雨生红球藻积累虾青素相关的基因、调控元件与转录因子

1.1.1 雨生红球藻全基因组分析

有机体的所有生命活动均可以从基因中得到答案，因此高质量的生物全基因组数据是探索有机体生命活动规律最重要的资料。深圳大学的科研团队[21]首次完成了雨生红球藻全基因组测序、组装和注释工作，生成了一份669.0 Mb规模的基因组草图(scaffold N50为288.6 kb)，并预测了18 545个基因。研究者还从14个代表性藻类中建立了稳健的系统发育树种类，并借助转录组数据揭示了雨生红球藻中一些涉及合成、积累和调节虾青素生产的新型潜在基因，还在此基础上产生了高可信度的包含18 483个转录本的同工型水平参考转录组，并通过选择性剪接分析证实内含子保留是最普遍的模式，该基因组以及转录组数据为理论研究和商业生产提供了可靠的基础资料。

1.1.2 雨生红球藻积累虾青素相关的调控元件和转录因子

全基因组数据为厘清雨生红球藻合成虾青素的调控网络提供了最基础的资料，而对基因组精细结构的解析为详细描摹该过程提供了更多的细节信息，该方面的工作主要集中于对关键酶基因非编码DNA序列(如启动子、增强子)等顺式作用元件和转录因子等反式作用元件的研究。Wei等[22]利用凝胶阻滞的方法研究了雨生红球藻中bkt基因309 bp启动子区域的转录因子结合位点，并发现了特异性的核蛋白结合位点，进一步的分析证实该位点区域存在响应环境胁迫因子、对香豆酸及激素反应的G-box。孟春晓[23]借助基因组上游步移技术克隆了雨生红球藻bkt基因两个不同的5′上游侧翼序列，发现其类似于高等植物胁迫诱导基因中的顺式作用元件；定点突变结果发现，APE-like(蓝光调控元件)对于bkt基因自身的转录可能存在影响。进一步分别针对这两个不同的5′上游侧翼序列构建了一系列缺失突变体，验证了其中可能包含的增强子区或抑制子区，同时证明了1.5 kb大小的5′上游侧翼序列对应ATG下游的第一个内含子可能是控制bkt基因转录的抑制子。Gao等[24]克隆了雨生红球藻中crtO基因的3个不同大小的5′上游侧翼序列(1.1、1.9 kb和2.2 kb)，并利用生物信息学方法分别预测并比较了这3段序列，结果发现三者具有与高等植物相类似的顺式作用元件，如脱落酸反应元件(ABRE)、干燥或低温反应元件(DRE/C-repeat)、几种光反应元件(G1-box，GAG-motif，l-boxand ATC-motif)、热激反应元件(HSE)、机械伤害反应元件(WUN-motif)、生长素反应元件(TGA-element)、茉莉酸甲酯反应元件(TGACG-element)和反式作用因子MYB蛋白的结合位点(MBS和MRE)等，但三者均不具有典型的TATA和CCAAT框，结果预示了雨生红球藻虾青素合成过程中crtO基因调控方式的多样化。宁晶晶[25]通过对小RNA转录组数据和mRNA转录组数据的联合分析，研究了雨生红球藻虾青素合成中的miRNA-TF共调控网络，发现4个miRNA和9个转录因子参与了微藻细胞内的虾青素和油脂合成调控，并进一步证实虾青素和油脂合成途径的酶基因既受转录因子的正调控，也受miRNA的负调控，参与两个途径的转录因子和miRNA既有相对独立性，还存在着一定的交互作用。胁迫条件下雨生红球藻积累虾青素的过程十分复杂，除了代谢途径和遗传网络方面的改变，表观遗传学层面的变化也起了重要作用。张克亚等[26]对缺氮胁迫0、24、72 h的雨生红球藻基因组DNA进行甲基化敏感扩增多态性(MSAP)分析，共得到了291个甲基化多态性位点，并发现基因组甲基化率伴随虾青素合成发生显著变化，这表明DNA甲基化调节方式的改变是虾青素积累过程中的一种重要调控模式。

1.2 与雨生红球藻积累虾青素相关的重要蛋白质

根据中心法则，有机体生命活动的最终体现者是基因的表达产物——蛋白质，因此对生命过程中关键蛋白质的解析是探求生命活动规律的重要方法。光是环境中重要的信号因子，对真核微藻的生长发育具有重要的调控作用，光不仅提供光合作用所需要的能量，自身也蕴含光质、光强和光周期等信息[27]。真核微藻通过光受体感知光照信号，并通过信号转导系统调控多种生理过程，包括形态建成、生物节律、趋光性以及次级代谢产物合成与积累等。有学者利用同源克隆和RACE技术结合的方法获得了蓝光受体向光素PHOT的cDNA全长，并借助生物信息学工具进行了其理化性质、蛋白结构和系统进化方面的分析研究[28-29]。近年来研究人员开发出一系列光遗传学元件，通过光敏蛋白响应特定波长的光，经过一系列构象改变、蛋白间可逆结合以及聚合反应，驱动特异性生理反应，包括(去)激活特异性蛋白活动、激活或抑制转录、亚细胞定位、局部活性氧生产和其他功能，为研究雨生红球藻的光响应生理及机制提供了潜在的工具[30]。顾文辉[31]通过比较雨生红球藻和盐藻强光响应下类囊体膜蛋白组的变化，发现雨生红球藻对强光胁迫的适应性更强，并推测雨生红球藻可能在适应强光的过程中重新调整了碳流向，并通过多种机制参与光保护以及虾青素的生物合成。范勇等[32]通过透射电镜观察发现雨生红球藻的质体内确实存在质体球滴结构——plastoglobules，并通过RT-PCR结合RACE技术，从雨生红球藻cDNA文库中克隆到与编码plastoglobules的结构蛋白Plastoglobulin具有高度同源性的Hpgp基因序列全长，并进一步利用原核表达系统将该编码基因进行原核诱导表达，然后用His-Tag蛋白分离纯化得到了目标蛋白。王坤鹏[33]对胁迫早期的雨生红球藻进行转录组测序，并对高响应强光和醋酸钠胁迫的HpGNAT-1基因进行分子克隆及生物信息学分析，发现该基因开放阅读框长度为493 bp，同源性分析表明，HpGNAT-1基因的表达产物可能为N-乙酰基转移酶，该基因可翻译成含163个氨基酸且可能定位于细胞质的蛋白，并推测该蛋白可能存在4个α-螺旋和7个β-折叠，具有N-乙酰基转移酶家族保守结构域和Rim Ⅰ结构域等结构，并可能通过与辅酶A结合作用于核糖体蛋白S18亚基对转录进行调控。

类泛素化蛋白修饰分子(SUMO)化修饰是一种蛋白翻译后的修饰方式，其在蛋白质之间相互作用、蛋白质在细胞内的定位、转录因子活性等方面发挥多种调节功能。有研究发现，转录因子LBD30通过SIZ1介导的类泛素化蛋白修饰分子化修饰作用于拟南芥纤维细胞次生细胞壁加厚过程，证实LBD30的类泛素化蛋白修饰分子化修饰直接对纤维细胞壁加厚的转录程序进行调控，类泛素化蛋白修饰分子化的LBD30促进细胞壁加厚的转录程序启动[34]。该研究首次发现了蛋白质类泛素化蛋白修饰分子化修饰在调控次生细胞壁形成中的重要功能，揭示了次生细胞壁形成多层次调控网络的一个新途径。虽然是以高等植物拟南芥为材料，但是该信号通路具有较高的跨物种保守性，因此为解释雨生红球藻响应环境胁迫时细胞壁加厚的生理过程提供了线索和方向。

2 雨生红球藻积累虾青素的人工诱导调控研究

发生在雨生红球藻细胞内的虾青素生物合成途径虽然已经得到充分认识，但是该途径的自然合成效率以及底物、能源的利用率均很低，是制约虾青素规模化生产和商业化应用的“瓶颈”问题，因此培养环境胁迫因子调控、通过物理和化学手段进行人工诱变育种、无机和有机碳源加富以及外源刺激物诱导成为提高雨生红球藻生产虾青素能力的常用方法[35-37]。

2.1 培养环境调控对雨生红球藻积累虾青素的影响

2.1.1 光照对雨生红球藻积累虾青素的影响

光照是微藻生命活动不可缺少的环境因子，对光照条件进行有效控制可以促进雨生红球藻合成、积累虾青素。有研究证实，不同光质对雨生红球藻的诱导效果不同[38]，红光有利于雨生红球藻生长，蓝光有助于雨生红球藻积累虾青素，此外连续光照较光暗交替更利于虾青素积累[7]。江红霞等[39]研究了不同光强和光周期对雨生红球藻积累虾青素的影响，发现微藻细胞内的虾青素含量随光强上升而提高，在270 μmol/(m2·s)的光强条件下连续照射10 d雨生红球藻内的虾青素水平和抗氧化能力最高。Ma等[40]使用150 μmol/(m2·s)的白光LED和70 μmol/(m2·s)的蓝光LED对雨生红球藻进行胁迫，结果表明，两种光照条件下微藻细胞内的虾青素和总脂肪酸含量显著上升，与色素合成及脂质积累相关的基因psy、crtO、bkt2、lcy、crtR-B、fata和dgat表达量明显上调。

2.1.2 盐度对雨生红球藻积累虾青素的影响

有研究表明，高盐度胁迫是刺激雨生红球藻积累虾青素的有效手段[41-43]。黄水英等[44]发现，在培养基中添加不大于10 g/L的NaCl可以显著促进雨生红球藻合成并积累虾青素。Boussiba等[45]证实，将雨生红球藻培养基中的NaCl含量提高3倍时，微藻细胞内虾青素水平较原来提升了121%。江红霞等[46]发现，使用0.12 mol/L的NaCl处理雨生红球藻，可以使其细胞内的虾青素含量、非特异性免疫活力以及与虾青素合成相关的lcy、crtR-B和bkt基因表达量显著提高，证实了雨生红球藻在高盐胁迫下主要是通过提高虾青素合成相关酶基因的转录水平来促进虾青素合成，并与非特异性免疫系统中的抗氧化酶互相协作，降低细胞遭受高盐胁迫引起的损伤。虽然高盐度会促进雨生红球藻积累虾青素，但是盐度过高会影响微藻正常的生命活动，因此在实际操作中需要在雨生红球藻生长和虾青素积累之间权衡选择合适的处理盐度。

2.1.3 营养因素对雨生红球藻积累虾青素的影响

营养缺乏作为环境胁迫因子，可以诱导雨生红球藻合成与积累虾青素，而缺素培养在天然虾青素生产过程中也具有重要的现实意义。杨瑾等[47]发现，雨生红球藻CG-06株细胞内的色素积累量和积累速率均与初始硝态氮含量呈反比，缺氮条件下雨生红球藻CG-06积累虾青素的峰值时间较对照组提前6 d，峰值水平较对照组提高0.78 μg/mg。庄惠如等[48]将BBM培养基中的氮源NaNO3质量浓度减半时(0.13 g/L)，发现对雨生红球藻细胞增殖和虾青素累积均有利，在高光强下进一步进行氮、磷饥饿胁迫时，微藻细胞分裂明显受到抑制，但细胞内虾青素含量分别较对照组提高141.0%和60.5%，色素累积高峰也提前2～4 d，显示了营养亏缺对虾青素合成与积累的促进作用。虽然营养亏缺有利于雨生红球藻积累虾青素，但有学者证实，当培养体系中同时缺少磷、镁和铁元素时，雨生红球藻细胞光化学效率下降，光系统能量分配发生改变，生长受到抑制[49]。由此看来，不同元素在雨生红球藻生命活动中的作用不同，缺氮培养是诱导雨生红球藻积累虾青素的适宜途径，而磷与金属元素在雨生红球藻培养中是不可缺少的。

2.1.4 雨生红球藻积累虾青素的培养工艺优化

培养条件下影响雨生红球藻积累虾青素的环境因子很多，许多学者对雨生红球藻的培养工艺进行优化，旨在确定最有利于虾青素积累的培养条件组合。李嘉仪等[50]研究了光照强度、NaNO3浓度和NaCl浓度对雨生红球藻积累虾青素的作用，发现胁迫因子的影响能力为NaCl浓度>光照强度>NaNO3浓度，并利用响应面法优化得到积累虾青素的最佳条件，此时虾青素产量为6.8 mg/L。Su等[51]评估了乙酸盐、Fe2+和强光3种胁迫条件的各种组合对雨生红球藻积累虾青素的影响，并基于GC-MS的代谢组测定和加权基因共表达网络分析(WGCNA)构建了代谢网络，为人工诱导雨生红球藻合成与积累虾青素提供了一定的数据支持。陶云莹[52]研究了多种环境因子对雨生红球藻生长、虾青素及内源激素积累的影响，结果表明，“23 ℃+200 μmol/(m2·s)”的培养条件最适合雨生红球藻生长，而“27 ℃+200 μmol/(m2·s)”最适合虾青素和内源脱落酸合成，此外酸碱胁迫都能促进雨生红球藻中脱落酸的积累，但是弱碱性环境适合微藻生长，而碱性环境适合虾青素的积累。Wan等[53]创造性地提出了“异养—稀释—光诱导”的串联培养模式，首先通过异养培养提高雨生红球藻细胞密度，然后稀释至合适密度并切换至微藻适应的环境，最后使用高光照诱导微藻积累虾青素，通过此种策略每升培养液中的雨生红球藻细胞干质量可以达26 g，在异养期微藻生产力高达64.1 mg/(L·h)，此时微藻细胞内的虾青素可达细胞干质量的4.6%。

2.2 人工诱变对雨生红球藻积累虾青素的影响

2.2.1 物理诱变因素对雨生红球藻积累虾青素的影响

在实际操作中常用高能射线、激光、紫外线和低温等离子体对雨生红球藻基础藻株进行诱变育种，以获得高积累虾青素和油脂等次级代谢产物的优势藻株。李珂[54]使用60Co-γ射线核诱变显著提高了雨生红球藻的生长固碳速率和虾青素含量，突变藻株的生长速率较野生株提高了28.6%，而虾青素质量浓度和油脂质量分数分别由19.5 mg/L和36.1%提高至46.0 mg/L和45.9%。刘京华[55]采用大气压介质阻挡放电(DBD)对雨生红球藻进行诱变以获得髙产虾青素的突变藻株，并建立了基于红外和拉曼显微光谱成像技术的高产虾青素突变藻株快检方法，能够在微观尺度上对虾青素等次级代谢产物进行快速定量分析。田燕[56]采用Nd：YAP激光为诱变剂，获得了生长速度快、抗逆性强、目标产物含量高的优良雨生红球藻藻株。刘峰[57]采用紫外线诱变的方法，获得了两株生物量和虾青素含量均较高的突变藻株，与出发藻株比，突变株的生长速度与虾青素含量提高了4.5%～18.9%。Chen等[58]使用低温等离子体处理得到高积累虾青素的雨生红球藻突变株M3，M3具备更高的CO2同化率，而qRT-PCR结果显示，M3通过调节叶绿体呼吸途径和提高非光合色素(叶黄素、β胡萝卜素和虾青素)含量有效地缓解了光氧化损伤。韩国研究人员使用100 mA(25 V电压)的电流对培养瓶中的雨生红球藻进行持续刺激，发现处理组的微藻细胞密度较对照组提高1.2倍，虾青素产量提高10%，最高可达32.6 mg/L[59]。

2.2.2 化学诱变因素对雨生红球藻积累虾青素的影响

化学诱变相比于物理诱变，能耗和成本较低，是改善微藻品系经济性状的理想手段，常用的诱变剂有烷化剂和叠氮化物等。沈国明等[60]用不同质量浓度的烷化剂——亚硝基胍对雨生红球藻进行处理，发现2.5 g/L的亚硝基胍诱导下，雨生红球藻的增长速率和细胞内积累的虾青素质量浓度最高，分别为(0.381±0.0289) mg/L和(2.9±0.29) mg/L，而3.5 g/L的亚硝基胍会严重影响雨生红球藻的叶绿素合成，造成藻体脱色，由此可见选择适宜的质量浓度是进行化学诱变的关键步骤。孙延红[61]用甲基磺酸乙酯和叠氮钠对雨生红球藻进行诱变，发现经0.02%甲基磺酸乙酯诱变10 d后，分离得到的诱变株的虾青素水平较出发株提高40%，而经200 mg/L 叠氮钠诱变24 h后，分离得到的诱变株的生物总量较出发株提高43%，而虾青素产量未显著提升，这说明不同的诱变剂可能具有不同的作用机制，其对雨生红球藻的影响也表现出明显的差异。

2.3 外加CO2或其他有机碳源物质对雨生红球藻积累虾青素的影响

2.3.1 外加CO2对雨生红球藻积累虾青素的影响

雨生红球藻除了可以进行光合自养生长之外，还能在外加CO2的条件下提高光合速率和能量生产，从而加快生物量和次级代谢产物积累。Cheng等[62]在雨生红球藻培养体系中外加不同质量分数的CO2处理，发现在添加6% CO2的条件下，雨生红球藻的生物量和积累虾青素的水平最高。Christian等[63]在雨生红球藻红色细胞阶段将CO2质量分数提高至5%和15%，改变了培养体系的C、N平衡，此时雨生红球藻积累了较对照组高2～3倍的虾青素。李珂[54]发现用质量分数15% CO2诱导时，雨生红球藻代谢通路中的碳固定、糖酵解、丙酮酸代谢、脂肪酸和类胡萝卜素合成途径比空气条件下明显增强，与油脂代谢和虾青素合成相关的酶表达量上调2.9～18.4倍，而最终收获的虾青素和油脂含量分别达到细胞干质量的3.6%和31.8%。以上研究结果反映了不同雨生红球藻株对CO2耐受性的差异，也提示研究者在实际操作中要根据研究对象自身生理特性的差异选择适宜的CO2添加水平。

2.3.2 外加其他有机碳源物质对雨生红球藻积累虾青素的影响

雨生红球藻在外源有机碳源存在的情况下可以进行异养生活，提高自身生物量和产物积累，因此添加外源碳源是促进雨生红球藻生长和积累虾青素的有效手段。陈俊琳[64]以乙酸钠和丙酮酸钠作为外加碳源，并设计不同的添加策略，结果表明，同时添加两种碳源时，雨生红球藻细胞内虾青素质量浓度为10.836 mg/L，而首先添加丙酮酸钠作为转化碳源，转化8 d后更换乙酸钠为转化碳源时，雨生红球藻虾青素质量浓度为10.887 mg/L。有研究表明，添加外源葡萄糖有助于促进雨生红球藻生长和积累虾青素，同时还可以提高微藻细胞中内源激素如脱落酸、赤霉素和吲哚乙酸的合成[52]。

2.4 外源刺激物质对雨生红球藻积累虾青素的影响

2.4.1 外源有机物对雨生红球藻积累虾青素的影响

使用小分子有机物作为外源刺激物质对雨生红球藻进行诱导，进而改变微藻的代谢途径以促进目标产物合成，是获得虾青素和脂质等次级代谢产物的常用手段。尚敏敏等[65]研究证实，添加外源黄腐酸可以显著影响雨生红球藻生长和虾青素积累；当黄腐酸质量浓度为5 mg/L，藻细胞生物量达到了79.39 mg/(L·d)，虾青素质量浓度达20.82 mg/L，分别较对照提高4.25%和86.89%；当黄腐酸质量浓度为10 mg/L，藻细胞的生物量产率和虾青素产量分别较对照提高5.44%和9.78%。岳陈陈等[66]发现，在高光照度和缺氮胁迫条件下，外源添加10 μmol/L褪黑素可有效提高雨生红球藻LUGU中虾青素的含量，最高可达31.32 mg/g，是对照组的2.36倍，同时细胞内的活性氧水平受到抑制，而信号分子一氧化氮和水杨酸含量显著上调，此外dxs基因表达水平较对照组明显提高，说明在非生物胁迫条件下，雨生红球藻中虾青素的大量积累可能与外源褪黑素调控细胞内活性氧、信号分子及基因表达有关。Ding等[67]发现，叔丁基羟基茴香醚处理可以使雨生红球藻细胞内的虾青素的含量较对照提高2.17倍，脂质含量提高1.22倍，叔丁基羟基茴香醚处理可同时降低微藻碳水化合物和蛋白质合成，并延迟叶绿素降解；后续的代谢组学分析表明，叔丁基羟基茴香醚上调并激活了涉及细胞基础代谢和信号传导系统的生物过程(如糖酵解、三羧酸循环，氨基酸代谢和磷脂酰肌醇信号传导系统)，从而增强了微藻的虾青素和脂质积累能力。Liu等[68]发现，0.4%的乙醇通过诱导雨生红球藻的茉莉酸甲酯通路，引发微藻细胞壁结构和生理属性改变，同时显著提高细胞内虾青素积累，进一步的研究证实虾青素的积累抵消了乙醇诱导产生的氧化胁迫。Lu等[69]用外源植物激素甲基茉莉酮酸酯和赤霉素处理雨生红球WB-1藻株，发现微藻细胞内虾青素水平显著提高；通过分子生物学手段在bkt1基因的5′侧翼区发现了典型的赤霉素A3响应顺式元件；结果表明，雨生红球藻合成虾青素的过程可能受到内、外源激素的调控。

2.4.2 外源无机物对雨生红球藻积累虾青素的影响

近年来的研究表明，一些无机小分子可以作为雨生红球藻合成虾青素的诱导因子，起到显著促进雨生红球藻积累虾青素的作用。有研究表明，Fe2+和二盐酸盐可以分别为虾青素合成提供氧化诱导剂HO·和AO2·，从而提高雨生红球藻积累虾青素的水平[70]。于馨恒[71]发现，H2O2和Mg2+处理可以显著提高雨生红球藻的生物量和虾青素积累。Li等[72]证实，3.0 mmol/L的Na2WO4是促进雨生红球藻积累青虾素的最适浓度，此时微藻细胞内的虾青素含量为(49.41±0.13) pg/细胞，而与虾青素合成相关的ipi、psy和bkt基因表达量也显著提高。外源无机小分子物质大多是雨生红球藻氧化应激反应的诱导剂，它们在触发雨生红球藻抗逆反应的同时促进其合成和积累虾青素，抵御氧化胁迫对细胞的伤害。

3 展 望

目前虽然已经掌握了关于雨生红球藻细胞内虾青素生物合成与积累的大量信息，但仍有许多具体问题处于探索阶段。如对虾青素生物合成过程中所推测的某些中间代谢物仍未完全分离和测定；对虾青素生物合成途径中相关酶的表达调控网络的识别尚未达到足够的分辨率，胁迫诱导引发的信号传导通路、级联传递途径和信号转导组分还没有完全判明。

活性氧和质体末端氧化酶参与虾青素合成的诱导调控通路的直接证据目前仍然缺乏。虾青素生物合成与光合作用之间的关系一直是研究人员关注的热点，但是虾青素与光系统以及光合电子传递链各组分之间的相互作用，至今仍未得到完全解析。另外，对那些发生在虾青素大量积累和其他类胡萝卜素合成之前的早期事件了解甚少，而且对该过程中参与调控的转录因子研究也相对薄弱。

针对以上问题，近年来在微藻研究领域得到较好应用的多组学meta分析和“转录因子工程”分析技术为克服以往的困难提供了强有力的武器，而高性能计算技术的发展也为详细破解雨生红球藻细胞内的虾青素代谢网络带来了希望。而另外一个值得关注的方向就是通过基因工程手段将微藻细胞内涉及虾青素生物合成途径中的关键限速酶基因进行克隆和人工改造，然后借助转基因技术构建具有高积累虾青素能力的高等植物植株，该领域虽然已经取得了一定进展，但是转基因植株的生物安全性问题目前仍然处于争议之中。