虾青素是什么？雨生红球藻如何累积虾青素？
影响雨生红球藻中虾青素积累条件的研究进展
中图分类号:Q986.2文献标识码:C文章编号:10031111(2011)02011804
收稿日期:20100421;修回日期:20100712.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40706050,40706048,30700619);国家科技支撑计划项目(2006BAD01A13,
2008BAC49B04);国家基因改良专项基金资助项目(2009ZX08009019B);山东省自然科学基金资助项目
(2009ZRA02075);青岛市科技计划项目(09258hy).
作者简介:孟春晓(1977-),女,副教授,博士,研究方向:藻类生物技术;Em ail:m engchunxiao 126.com.通讯作者:叶乃好
(1976-),男,副研究员,博士,研究方向:藻类生物学;Email:zq7723 163.com
天然虾青素是一种具有极高抗氧化活性的非维生素A原类胡萝卜素,在医药、食品、保健品、化妆品及饲料添加剂等方面都有广阔的应用前景。而单细胞绿藻雨生红球藻(Haematococcus p luvialis)能在多种胁迫条件下迅速合成并大量积累虾青素,最高可达藻细胞干质量的4.0%,远远高于从水产品废弃物中提取和利用红发夫酵母(P haff ia r hodoxyma)发酵的产量(0.15%~0.4%),因此被公认为自然界中生产天然虾青素最理想的原料。目前雨生红球藻中虾青素的生物合成途径已经阐明,但雨生红球藻中虾青素大量积累的具体机制还不清楚,这在很大程度上妨碍了人们利用它来规模化生产天然虾青素。因此,找到一条高效诱导雨生红球藻中虾青素积累的途径成为目前国内外研究热点。下面就从几个方面来分别阐述能够影响雨生红球藻中虾青素积累的各种诱导因子。
1温度
梁英等[1]研究了不同温度(5~35)对雨生红球藻叶绿素荧光特性及虾青素含量的影响。研究结果表明,温度对雨生红球藻各叶绿素荧光参数、叶绿素相对含量、细胞密度以及虾青素含量均有显著影响。在其试验条件下,雨生红球藻的最适生长温度是20,其单位体积虾青素含量以20处理组为最高,而单个细胞中的虾青素含量则以5和30为最高。蒋霞敏等[2]分别研究了温度、光照及盐度对雨生红球藻诱变株虾青素积累的影响。结果显示,雨生红球藻生长的最适条件为温度15~20,光照度1000~2000 lx,盐度0。虾青素积累量最高时的温度为25~30,光照度8000 lx,盐度为4~8。苗凤萍等[3]在用环形培养池模拟系统培养雨生红球藻的过程中,研究了温度对雨生红球藻生物量及虾青素产量的影响。结果表明,25时,红球藻生物量和虾青素产量最高,分别为2.68 g和13.53 mg/L,22时,虾青素含量最高,为1.52%。
[4]探讨了雨生红球藻712株的适宜培养条件及藻体诱导积累虾青素的培养基条件,重点研究了温度、pH和光照条件对雨生红球藻营养生长的影响,以及NaNO3、Fe2+盐和乙酸钠浓度对雨生红球藻积累虾青素的影响。结果表明,24、1000~1500 lx连续光照、pH 8.0的生长条件最适合雨生红球藻游动细胞增殖。缺氮培养基对雨生红球藻细胞积累虾青素最有利,而FeSO4和乙酸钠浓度对虾青素的累积无显著性影响。Esra等[5]证明用蒸馏水外加二氧化碳的培养基比常见的氮饥饿培养基使雨生红球藻在一定光照下更容易积累虾青素。
2光照
2.1紫外线陈坤等[6]研究了增强UVB辐射对雨生红球藻生长速率和虾青素含量的影响。结果显示在室内培养雨生红球藻增加UVB辐射,能够提高其细胞内虾青素的含量;其显微结构显示类胡萝卜素颗粒明显增加。翟兴文等[7]用不同剂量的紫外线辐射雨生红球藻,测定了生长K值、色素含量、SOD、POD、CAT酶活性的变化,同时观察了细胞超微结构的变化。结果表明,紫外辐射4~5 mh能使红球藻细胞中的虾育素含量显著提高。孙延红等[8]用乙烷磺酸甲烷诱变获得2株快速生长的雨生红球藻藻株,将其中一株进一步用紫外线处理后发现,其总生物量、单细胞虾青素产量和虾青素总产量分别增加68%、28%和120%。
2.2激光
庄惠如等[9]研究经激光辐照后,雨生红球藻细胞在运动能力、生长速率、色素含量及厚壁孢子的形成等方面均有不同程度的变化。后来又发现低剂量的Nd:YAG激光辐照(约15 s)对藻细胞有促长作用,较高剂量的Nd:YAG激光辐照(35 s、55s)对藻细胞生长有抑制作用,并有明显的致死、致突效应[10]。
2.3可见光
陈书秀等[11]研究了不同光照度对雨生红球藻叶绿素荧光特性及虾青素含量的影响。结果表明,雨生红球藻的最适生长光照度为2600 lx。当光照度为15 000 lx时,单个细胞中的虾青素含量均显著高于其他处理组,但是单位体积虾青素含量以2600 lx处理组为最高。董庆霖等[12]在不同光照度下研究了雨生红球藻细胞内虾青素的合成与初级代谢的关系。结果表明强光提高了1,5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和亚硝酸还原酶活性,导致硝酸盐浓度迅速降低而最终又抑制了这两种酶的活性,造成雨生红球藻光合作用效率下降即!碳饥饿∀。在此状态下,为了生存,细胞内合成虾青素的相关基因被激活,藻细胞开始合成并积累虾青素。[13]证明光照度在雨生红球藻光能自养过程中积累虾青素比碳、氮比更重要。Katsuda等[14]证明闪光照射比持续的光照射有利于雨生红球藻中虾青素积累。
3盐胁迫
李晓梦等[15]针对雨生红球藻大体积室外培养展试验,对不同品系藻株、不同营养方式、胁迫条件等对雨生红球藻生长及虾青素积累的进行了初步研究。结果表明,盐胁迫比强光胁迫更能有效地积累虾青素,虾青素产率从0.76 mg/L提高至1.33mg/L。[16]研究了化学因子对雨生红球藻诱变株虾青素积累的调控。结果表明,在氮、磷、铁完全缺乏的情况下和醋酸质量浓度为2 mg/L,红球藻的虾青素积累速率最高。氮、磷、铁3个因子对虾青素的积累均有显著促进作用,氮胁迫能诱导雨生红球藻从绿色游动细胞转变成红色不动细胞,培养基中磷胁迫和醋酸钠刺激能大大加快这一转化的速率。蔡明刚等[17]证明醋酸盐对雨生红球藻合成虾青素很重要,也证明不同化合价及不同种类的铁离子对雨生红球藻中虾青素积累影响不同,36mo l/L的FeC6 H5 O7能增加一倍的藻细胞生物量和六倍的虾青素产量[18]。董庆霖等[19]为研究雨生红球藻合成虾青素的机理,分析了不同诱导条件下藻细胞内氮和碳代谢的变化。结果表明,强光照、添加乙酸钠、缺氮和缺磷均直接或间接地影响了雨生红球藻细胞内1,5二磷酸核酮糖羧化酶和硝酸还原酶的活性,导致2种酶的活性大幅度下降。只有当1,5二磷酸核酮糖羧化酶和硝酸还原酶的活
性降至非常低的水平时,藻细胞才开始合成虾青素,因此他们认为碳和氮代谢被抑制是诱导雨生红球藻合成虾青素的主要原因。笔者也研究了亚铁离子、醋酸盐和双氧水3种化学因子对雨生红球藻积累虾青素的交叉影响和虾青素积累过程中藻体总可溶性蛋白的变化。结果表明,在营养盐缺乏的前提下,添加45 mmol/L醋酸盐和450mo l/L亚铁离子,25,24 h连续光照,6000 lx光照度下进行逆境胁迫诱导,能够大大缩短雨生红球藻虾青素积累周期,比空白对照提前一个月使藻细胞完全变红[20]。
4叠氮化合物
陆开形等[27]研究了不同浓度的叠氮钠(NaN3)对雨生红球藻的生理效应。结果表明,1 mmol/L的NaN3处理有利于促进藻细胞的生长,而其他浓度处理则对藻生长起抑制作用。不同浓度的NaN3处理均有利于促进虾青素的积累,其中又以1mmol/L N aN3处理后的虾青素含量最高,之后随处理浓度的增加虾青素含量反而下降。叶勇等[28]研究不同浓度的化学诱变剂N甲基N硝基N亚硝基胍对雨生红球藻797株的影响。当N甲基N硝基N亚硝基胍浓度为10mol/L时,虾青素含量无论是以体积计还是以单位细胞计均达到最高;N甲基N硝基N亚硝基胍浓度为0~10mol/L,虾青素含量随着N甲基N硝基N亚硝基胍浓度的增加逐渐增高;N甲基N硝基N亚硝基胍质量浓度为10~100mol/L时,虾青素的含量随着N甲基N硝基N亚硝基胍质量浓度的增加逐渐降低。陆开形等[29]用不同质量浓度的亚硝基胍处理雨生红球藻,结果表明,亚硝基胍质量浓度为2.5 g/L时生长K值最大,藻液的细胞干质量最大,虾青素含量也最多,之后随亚硝基胍浓度的增加反而下降。
5植物激素
韩春梅等[30]利用生长素(萘乙酸、3吲哚乙酸)和细胞分裂素(6苄基嘌呤、激动素)两类植物119第2期孟春晓等:影响雨生红球藻中虾青素积累条件的研究进展激素,对比研究了其不同配伍对4株雨生红球藻H0、H2、H3和H4细胞生长及虾青素累积的调节作用。结果表明,尽管在不同株系之间存在一定的差异,但激素明显促进该藻细胞生长和虾青素累积,而对细胞大小没有产生明显影响。建议在规模化生产中,采用1.75 mg/L萘乙酸和4 mg/L 3吲哚乙酸以提高红球藻的培养效果。崔宝霞等[31]研究了植物生长调节剂萘乙酸、6苄基嘌呤、2,4二氯苯氧乙酸、赤霉素对雨生红球藻细胞增殖、质量(干)、虾青素含量的影响。单因子试验结果表明,4种植物生长调节剂对雨生红球藻的细胞增殖在生长前期作用不明显,在对数生长期有明显的促进作用,质量(干)和虾青素含量有明显的增加。已有的研究表明,一定浓度的植物激素(萘乙酸、赤霉素、6苄氨基嘌呤、脱落酸、乙烯利、水杨酸)均能显著促进雨生红球藻合成并积累虾青素,不仅能缩虾青素积累周期,还能在一定程度上增加虾青素产量[3237]。植物激素对高等植物的生长发育具有显著促进作用,凭借其成本低、刺激效果好及安全性高而在农业生产上应用广泛。过去关于刺激雨生红球藻积累虾青素的的诱导因子研究主要集中在物理因子(如紫外线、x、射线、激光辐射等)和化学因子(如重金属离子、叠氮化合物、稀土元素等),同上述因素相比较,植物激素具有用量小、速度快、效益高、残毒少等优势。如果添加一定浓度的植物激素可以有效促进雨生红球藻细胞生长,缩短培养周期,增加虾青素等次生代谢物质的积累,一方面
对提高工业化生产的经济效益将具有重要意义,另一方面也为深入研究植物激素对其他经济微藻,如杜氏盐藻(Dunaliella salina)次生物质积累的影响机制打下基础。
6其他条件
除此以外,最近还有一些其他因子也用于雨生红球藻积累虾青素。T ran等[21]证明2.5 mmol/L原钒酸钠能诱导雨生红球藻中胡萝卜素积累量增加,其中虾青素的积累量在2 d的处理时间内比对照增加2.5倍。他们认为这是由于PT Pases的表达被原钒酸钠所阻止。王劲等[22]研究了活性氧对雨生红球藻生长及虾青素含量的影响,结果表明适当浓度的活性氧能够促进虾青素含量增加,当活性氧浓度为107mol/L时,虾青素含量达到5.27g/ml,比对照显著提高。李立欣等[23]分别添加VB1、VB12和V H,每种维生素各分6个浓度梯度,测定了雨生红球藻的细胞密度、生物量、叶绿素a和类胡萝卜素含量等指标。结果表明,在雨生红球藻规模化生产的游动细胞培养阶段,适当地添加VB1、VB12和V H均能够有效地提高藻细胞密度、生物量、叶绿素a和类胡萝卜素含量。刘伟成等[24]研究了Cu2+、Zn2+、Co2+对雨生红球藻生长的影响,陆开形等[25]也开展了类似研究,但是均未涉及重金属离子对虾青素积累的影响。笔者推测上述重金属离子也可能影响雨生红球藻细胞中积累虾青素。李哲等[26]采用反相高效液相色谱分析法研究了稀土元素铈(Ce3+)对雨生红球藻生长及虾青素积累的影响。结果表明,低质量浓度的Ce3+对微藻生长和虾青素积累均具有明显的促进作用。当Ce3+的质量浓度为1 mg/L时,虾青素可达到细胞干质量的3.2%,较对照组提高167%。此外,高质量浓度Ce3+的对雨生红球藻生长有抑制作用。
