岩藻黄素是一种功能性类胡萝卜素，兼具减脂、降血糖、抗癌等多种生物活性，在食品、医药及保健品领域具有极高的应用价值。海洋硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）是岩藻黄素高效合成与积累的优势微藻，也是目前岩藻黄素产业化生产的核心藻种。兼养培养模式可有效提升微藻培养效率，是规模化生产的主流方式，但该培养过程易出现光合抑制问题，导致藻体岩藻黄素含量显著下降，难以实现生物量与功能色素的同步高效积累，这一矛盾成为制约三角褐指藻岩藻黄素产业化提质增产的关键瓶颈。
为破解这一产业难题，本研究聚焦氮源配比优化，探究混合氮源对三角褐指藻生长及岩藻黄素合成的协同调控作用。研究结果表明，采用精氨酸与尿素摩尔比4:1的混合氮源进行兼养培养，可发挥显著的代谢协同效应，大幅提升岩藻黄素生产效率。相较于单一精氨酸氮源培养组，混合氮源组岩藻黄素生产率提升141%，培养后藻体生物量可达3.37 g/L，岩藻黄素积累量达到9.94 mg/g，成功实现生物量与功能色素的同步高效积累。
为阐明其深层分子代谢机制，本研究整合胞内靶向氨基酸分析、初级代谢组学、类胡萝卜素靶向代谢组学及转录组学多组学技术，系统解析了混合氮源调控三角褐指藻生理代谢与岩藻黄素合成的分子通路。多组学结果证实，精氨酸与尿素复合氮源可显著激活藻体尿素循环与GS-GOGAT氮代谢关键通路，强化胞内氮素吸收与同化效率，为藻体生长代谢奠定充足的氮素基础。在培养前期，混合氮源可显著上调糖酵解、TCA循环及光合色素合成相关关键基因的表达水平，加速碳水化合物代谢与光合代谢进程，为藻体快速增殖持续供给碳骨架与能量，保障生物量高效积累。在培养后期，藻体糖异生代谢通路持续激活，同时岩藻黄素合成通路关键基因与代谢产物持续富集，打破了常规兼养培养中光合抑制导致的色素合成受阻问题，最终实现生物量与岩藻黄素的协同积累。
综上，本研究明确了精氨酸与尿素混合氮源的协同增效作用，揭示了其调控三角褐指藻生长与岩藻黄素合成的代谢分子机制，有效突破了兼养培养模式下生物量与色素积累相互制约的产业痛点，为三角褐指藻高效兼养培养工艺优化、岩藻黄素产业化高产技术迭代提供了重要的理论支撑与实践依据。
原文链接：Insights from an integrated multi-omics analysis: The synergistic effect of arginine and urea in marine diatom Phaeodactylum tricornutum
