雨生红球藻对环境胁迫的分子防御机制：积累虾青素，保护藻细胞免受逆境危害

摘要：虾青素是一种具有极强的生物抗氧化性的类胡萝卜素，在医药，食品等方面均有广阔的应用。雨生红球藻在逆境下能够大量积累虾青素，已成为目前研究的热点。从雨生红球藻生存的角度来看，虾青素的积累是细胞对逆境防御的方法之一。除此之外，雨生红球藻还通过调整相关酶的表达类来使细胞度过难关。主要综述了雨生红球藻对环境胁迫防御的两种分子机制，即早期机制和长期机制。

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环境胁迫的防御机制
长期防御
在雨生红球藻较长时间受到环境胁迫时，细胞内产生一种抵御不良环境的长期分子机制———产生虾青素，同时伴随着细胞结构和形态变化。目前雨生红球藻细胞中虾青素的合成途径已经基本被阐明，并克隆了虾青素合成途径中关键酶基因[10~13] 。长期环境胁迫下，虾青素合成相关的酶被大量表达和激活，从而促进了细胞中虾青素的合成[14~16] 。虾青素具有极高的抗氧化活性，可以有效地清除由于环境胁迫而在细胞内产生的活性氧[6] ，从而保护了藻细胞免受逆境的危害。虾青素的积累量一般在胁迫6~12d达到最大[5] 。 1.2.1虾青素在雨生红球藻中的合成途径雨生红球藻中虾青素的合成途径主要分为两个阶段：第一阶段是β-胡萝卜素的形成，第二阶段是虾青素的合成[14]（图1）。

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图1雨生红球藻中虾青素的合成途径
虾青素合成的第一步是在IPP合成酶的催化下，甘油醛-3-磷酸和丙酮酸缩合而成异戊烯焦磷酸（IPP），该反应被认为是雨生红球藻中虾青素合成的一个限速步骤；第二步是IPP转化为二甲基丙烯焦磷酸（DMAPP），由IPP异构酶催化；第三步是3分子的DMAPP和1分子的IPP经3步缩合反应形成20碳的GGPP（牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸）；β-胡萝卜素合成的第四步是GGPP在八氢番茄红素合成酶（PSY）的作用下转变为八氢番茄红素，八氢番茄红素在八氢番茄红素去饱和酶和和ζ-胡萝卜素去饱和酶的作用下，经4步脱氢生成番茄红素，在番茄红素β-环化酶的作用下，茄红素环化为β-胡萝卜素；β-胡萝卜素在羟化酶和酮化酶的作用下，首先形成海胆酮，然后再鸡油菌黄质，最后经4 ， 4'-二羟基-3-酮基-β-胡萝卜素最终形成虾青素[15] 。 1.2.2雨生红球藻中虾青素的积累雨生红球藻主要是在高光、高温、氮缺乏和异养等逆境下积累虾青素的。在较长时间的逆境胁迫下，红球藻细胞主要是通过上述与虾青素合成相关酶基因的转录水平的提高和激活一些相关酶类来促进虾青素的合成的[14 ， 16 ， 17] 。
Vidhyavathi等[16]将已经形成红色不动细胞的雨生红球藻从不适培养基转移到最佳培养基中，细胞中PSY（八氢番茄红素合成酶）、PDS（八氢番茄红素脱氢酶）、LCY（番茄红素环化酶）、BKT（beta胡萝卜素酮化酶）、CHY（beta胡萝卜素羟化酶）等与虾青素含成相关的酶基因的转录水平在0d ，第1d最高，以后逐渐下降；在第7d时，上述所有基因的转录水平变成了与绿色泳动细胞差不多的水平。从而从反面证实了不动细胞中虾青素的积累确实是虾青素合成相关酶基因的转录水平提高的结果[16] 。 Steinbrenner和Linden[14]研究发现，在中光照的条件下，伴随着虾青素在细胞中的积累，与虾青素合成相关的的基因，包括八氢番茄合成酶基因、八氢番茄脱氢酶基因、番茄红素环化酶基因和胡萝卜素羟化酶基因的转录水平都大大提高了；在光照12~24h ， mRNA水平达到最高，然后逐渐降低。说明酶蛋白含量的提高是由于酶基因转隶水平提高的结果。除了虾青素合成相关酶基因的转隶水平提高外， β-胡萝卜素酮化酶基因在强光胁迫下， mRNA的含量并没有提高，但细胞中酶蛋白的含量却随着光强度的升高而升高[14] 。