蝦青素是什么？雨生紅球藻如何累積蝦青素？
影響雨生紅球藻中蝦青素積累條件的研究進展
中圖分類號:Q986.2文獻標識碼:C文章編號:10031111(2011)02011804
收稿日期:20100421;修回日期:20100712.
基金項目:國家自然科學基金資助項目(40706050,40706048,30700619);國家科技支撐計劃項目(2006BAD01A13,
2008BAC49B04);國家基因改良專項基金資助項目(2009ZX08009019B);山東省自然科學基金資助項目
(2009ZRA02075);青島市科技計劃項目(09258hy).
作者簡介:孟春曉(1977-),女,副教授,博士,研究方向:藻類生物技術;Em ail:m engchunxiao 126.com.通訊作者:葉乃好
(1976-),男,副研究員,博士,研究方向:藻類生物學;Email:zq7723 163.com
天然蝦青素是一種具有極高抗氧化活性的非維生素A原類胡蘿卜素,在醫(yī)藥、食品、保健品、化妝品及飼料添加劑等方面都有廣闊的應用前景。而單細胞綠藻雨生紅球藻(Haematococcus p luvialis)能在多種脅迫條件下迅速合成并大量積累蝦青素,最高可達藻細胞干質量的4.0%,遠遠高于從水產品廢棄物中提取和利用紅發(fā)夫酵母(P haff ia r hodoxyma)發(fā)酵的產量(0.15%~0.4%),因此被公認為自然界中生產天然蝦青素最理想的原料。目前雨生紅球藻中蝦青素的生物合成途徑已經(jīng)闡明,但雨生紅球藻中蝦青素大量積累的具體機制還不清楚,這在很大程度上妨礙了人們利用它來規(guī)模化生產天然蝦青素。因此,找到一條高效誘導雨生紅球藻中蝦青素積累的途徑成為目前國內外研究熱點。下面就從幾個方面來分別闡述能夠影響雨生紅球藻中蝦青素積累的各種誘導因子。
1溫度
梁英等[1]研究了不同溫度(5~35)對雨生紅球藻葉綠素熒光特性及蝦青素含量的影響。研究結果表明,溫度對雨生紅球藻各葉綠素熒光參數(shù)、葉綠素相對含量、細胞密度以及蝦青素含量均有顯著影響。在其試驗條件下,雨生紅球藻的最適生長溫度是20,其單位體積蝦青素含量以20處理組為最高,而單個細胞中的蝦青素含量則以5和30為最高。蔣霞敏等[2]分別研究了溫度、光照及鹽度對雨生紅球藻誘變株蝦青素積累的影響。結果顯示,雨生紅球藻生長的最適條件為溫度15~20,光照度1000~2000 lx,鹽度0。蝦青素積累量最高時的溫度為25~30,光照度8000 lx,鹽度為4~8。苗鳳萍等[3]在用環(huán)形培養(yǎng)池模擬系統(tǒng)培養(yǎng)雨生紅球藻的過程中,研究了溫度對雨生紅球藻生物量及蝦青素產量的影響。結果表明,25時,紅球藻生物量和蝦青素產量最高,分別為2.68 g和13.53 mg/L,22時,蝦青素含量最高,為1.52%。
[4]探討了雨生紅球藻712株的適宜培養(yǎng)條件及藻體誘導積累蝦青素的培養(yǎng)基條件,重點研究了溫度、pH和光照條件對雨生紅球藻營養(yǎng)生長的影響,以及NaNO3、Fe2+鹽和乙酸鈉濃度對雨生紅球藻積累蝦青素的影響。結果表明,24、1000~1500 lx連續(xù)光照、pH 8.0的生長條件最適合雨生紅球藻游動細胞增殖。缺氮培養(yǎng)基對雨生紅球藻細胞積累蝦青素最有利,而FeSO4和乙酸鈉濃度對蝦青素的累積無顯著性影響。Esra等[5]證明用蒸餾水外加二氧化碳的培養(yǎng)基比常見的氮饑餓培養(yǎng)基使雨生紅球藻在一定光照下更容易積累蝦青素。
2光照
2.1紫外線陳坤等[6]研究了增強UVB輻射對雨生紅球藻生長速率和蝦青素含量的影響。結果顯示在室內培養(yǎng)雨生紅球藻增加UVB輻射,能夠提高其細胞內蝦青素的含量;其顯微結構顯示類胡蘿卜素顆粒明顯增加。翟興文等[7]用不同劑量的紫外線輻射雨生紅球藻,測定了生長K值、色素含量、SOD、POD、CAT酶活性的變化,同時觀察了細胞超微結構的變化。結果表明,紫外輻射4~5 mh能使紅球藻細胞中的蝦育素含量顯著提高。孫延紅等[8]用乙烷磺酸甲烷誘變獲得2株快速生長的雨生紅球藻藻株,將其中一株進一步用紫外線處理后發(fā)現(xiàn),其總生物量、單細胞蝦青素產量和蝦青素總產量分別增加68%、28%和120%。
2.2激光
莊惠如等[9]研究經(jīng)激光輻照后,雨生紅球藻細胞在運動能力、生長速率、色素含量及厚壁孢子的形成等方面均有不同程度的變化。后來又發(fā)現(xiàn)低劑量的Nd:YAG激光輻照(約15 s)對藻細胞有促長作用,較高劑量的Nd:YAG激光輻照(35 s、55s)對藻細胞生長有抑制作用,并有明顯的致死、致突效應[10]。
2.3可見光
陳書秀等[11]研究了不同光照度對雨生紅球藻葉綠素熒光特性及蝦青素含量的影響。結果表明,雨生紅球藻的最適生長光照度為2600 lx。當光照度為15 000 lx時,單個細胞中的蝦青素含量均顯著高于其他處理組,但是單位體積蝦青素含量以2600 lx處理組為最高。董慶霖等[12]在不同光照度下研究了雨生紅球藻細胞內蝦青素的合成與初級代謝的關系。結果表明強光提高了1,5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和亞硝酸還原酶活性,導致硝酸鹽濃度迅速降低而最終又抑制了這兩種酶的活性,造成雨生紅球藻光合作用效率下降即!碳饑餓?。在此狀態(tài)下,為了生存,細胞內合成蝦青素的相關基因被激活,藻細胞開始合成并積累蝦青素。[13]證明光照度在雨生紅球藻光能自養(yǎng)過程中積累蝦青素比碳、氮比更重要。Katsuda等[14]證明閃光照射比持續(xù)的光照射有利于雨生紅球藻中蝦青素積累。
3鹽脅迫
李曉夢等[15]針對雨生紅球藻大體積室外培養(yǎng)展試驗,對不同品系藻株、不同營養(yǎng)方式、脅迫條件等對雨生紅球藻生長及蝦青素積累的進行了初步研究。結果表明,鹽脅迫比強光脅迫更能有效地積累蝦青素,蝦青素產率從0.76 mg/L提高至1.33mg/L。[16]研究了化學因子對雨生紅球藻誘變株蝦青素積累的調控。結果表明,在氮、磷、鐵完全缺乏的情況下和醋酸質量濃度為2 mg/L,紅球藻的蝦青素積累速率最高。氮、磷、鐵3個因子對蝦青素的積累均有顯著促進作用,氮脅迫能誘導雨生紅球藻從綠色游動細胞轉變成紅色不動細胞,培養(yǎng)基中磷脅迫和醋酸鈉刺激能大大加快這一轉化的速率。蔡明剛等[17]證明醋酸鹽對雨生紅球藻合成蝦青素很重要,也證明不同化合價及不同種類的鐵離子對雨生紅球藻中蝦青素積累影響不同,36mo l/L的FeC6 H5 O7能增加一倍的藻細胞生物量和六倍的蝦青素產量[18]。董慶霖等[19]為研究雨生紅球藻合成蝦青素的機理,分析了不同誘導條件下藻細胞內氮和碳代謝的變化。結果表明,強光照、添加乙酸鈉、缺氮和缺磷均直接或間接地影響了雨生紅球藻細胞內1,5二磷酸核酮糖羧化酶和硝酸還原酶的活性,導致2種酶的活性大幅度下降。只有當1,5二磷酸核酮糖羧化酶和硝酸還原酶的活
性降至非常低的水平時,藻細胞才開始合成蝦青素,因此他們認為碳和氮代謝被抑制是誘導雨生紅球藻合成蝦青素的主要原因。筆者也研究了亞鐵離子、醋酸鹽和雙氧水3種化學因子對雨生紅球藻積累蝦青素的交叉影響和蝦青素積累過程中藻體總可溶性蛋白的變化。結果表明,在營養(yǎng)鹽缺乏的前提下,添加45 mmol/L醋酸鹽和450mo l/L亞鐵離子,25,24 h連續(xù)光照,6000 lx光照度下進行逆境脅迫誘導,能夠大大縮短雨生紅球藻蝦青素積累周期,比空白對照提前一個月使藻細胞完全變紅[20]。
4疊氮化合物
陸開形等[27]研究了不同濃度的疊氮鈉(NaN3)對雨生紅球藻的生理效應。結果表明,1 mmol/L的NaN3處理有利于促進藻細胞的生長,而其他濃度處理則對藻生長起抑制作用。不同濃度的NaN3處理均有利于促進蝦青素的積累,其中又以1mmol/L N aN3處理后的蝦青素含量最高,之后隨處理濃度的增加蝦青素含量反而下降。葉勇等[28]研究不同濃度的化學誘變劑N甲基N硝基N亞硝基胍對雨生紅球藻797株的影響。當N甲基N硝基N亞硝基胍濃度為10mol/L時,蝦青素含量無論是以體積計還是以單位細胞計均達到最高;N甲基N硝基N亞硝基胍濃度為0~10mol/L,蝦青素含量隨著N甲基N硝基N亞硝基胍濃度的增加逐漸增高;N甲基N硝基N亞硝基胍質量濃度為10~100mol/L時,蝦青素的含量隨著N甲基N硝基N亞硝基胍質量濃度的增加逐漸降低。陸開形等[29]用不同質量濃度的亞硝基胍處理雨生紅球藻,結果表明,亞硝基胍質量濃度為2.5 g/L時生長K值最大,藻液的細胞干質量最大,蝦青素含量也最多,之后隨亞硝基胍濃度的增加反而下降。
5植物激素
韓春梅等[30]利用生長素(萘乙酸、3吲哚乙酸)和細胞分裂素(6芐基嘌呤、激動素)兩類植物119第2期孟春曉等:影響雨生紅球藻中蝦青素積累條件的研究進展激素,對比研究了其不同配伍對4株雨生紅球藻H0、H2、H3和H4細胞生長及蝦青素累積的調節(jié)作用。結果表明,盡管在不同株系之間存在一定的差異,但激素明顯促進該藻細胞生長和蝦青素累積,而對細胞大小沒有產生明顯影響。建議在規(guī)?；a中,采用1.75 mg/L萘乙酸和4 mg/L 3吲哚乙酸以提高紅球藻的培養(yǎng)效果。崔寶霞等[31]研究了植物生長調節(jié)劑萘乙酸、6芐基嘌呤、2,4二氯苯氧乙酸、赤霉素對雨生紅球藻細胞增殖、質量(干)、蝦青素含量的影響。單因子試驗結果表明,4種植物生長調節(jié)劑對雨生紅球藻的細胞增殖在生長前期作用不明顯,在對數(shù)生長期有明顯的促進作用,質量(干)和蝦青素含量有明顯的增加。已有的研究表明,一定濃度的植物激素(萘乙酸、赤霉素、6芐氨基嘌呤、脫落酸、乙烯利、水楊酸)均能顯著促進雨生紅球藻合成并積累蝦青素,不僅能縮蝦青素積累周期,還能在一定程度上增加蝦青素產量[3237]。植物激素對高等植物的生長發(fā)育具有顯著促進作用,憑借其成本低、刺激效果好及安全性高而在農業(yè)生產上應用廣泛。過去關于刺激雨生紅球藻積累蝦青素的的誘導因子研究主要集中在物理因子(如紫外線、x、射線、激光輻射等)和化學因子(如重金屬離子、疊氮化合物、稀土元素等),同上述因素相比較,植物激素具有用量小、速度快、效益高、殘毒少等優(yōu)勢。如果添加一定濃度的植物激素可以有效促進雨生紅球藻細胞生長,縮短培養(yǎng)周期,增加蝦青素等次生代謝物質的積累,一方面
對提高工業(yè)化生產的經(jīng)濟效益將具有重要意義,另一方面也為深入研究植物激素對其他經(jīng)濟微藻,如杜氏鹽藻(Dunaliella salina)次生物質積累的影響機制打下基礎。
6其他條件
除此以外,最近還有一些其他因子也用于雨生紅球藻積累蝦青素。T ran等[21]證明2.5 mmol/L原釩酸鈉能誘導雨生紅球藻中胡蘿卜素積累量增加,其中蝦青素的積累量在2 d的處理時間內比對照增加2.5倍。他們認為這是由于PT Pases的表達被原釩酸鈉所阻止。王勁等[22]研究了活性氧對雨生紅球藻生長及蝦青素含量的影響,結果表明適當濃度的活性氧能夠促進蝦青素含量增加,當活性氧濃度為107mol/L時,蝦青素含量達到5.27g/ml,比對照顯著提高。李立欣等[23]分別添加VB1、VB12和V H,每種維生素各分6個濃度梯度,測定了雨生紅球藻的細胞密度、生物量、葉綠素a和類胡蘿卜素含量等指標。結果表明,在雨生紅球藻規(guī)?；a的游動細胞培養(yǎng)階段,適當?shù)靥砑覸B1、VB12和V H均能夠有效地提高藻細胞密度、生物量、葉綠素a和類胡蘿卜素含量。劉偉成等[24]研究了Cu2+、Zn2+、Co2+對雨生紅球藻生長的影響,陸開形等[25]也開展了類似研究,但是均未涉及重金屬離子對蝦青素積累的影響。筆者推測上述重金屬離子也可能影響雨生紅球藻細胞中積累蝦青素。李哲等[26]采用反相高效液相色譜分析法研究了稀土元素鈰(Ce3+)對雨生紅球藻生長及蝦青素積累的影響。結果表明,低質量濃度的Ce3+對微藻生長和蝦青素積累均具有明顯的促進作用。當Ce3+的質量濃度為1 mg/L時,蝦青素可達到細胞干質量的3.2%,較對照組提高167%。此外,高質量濃度Ce3+的對雨生紅球藻生長有抑制作用。
