強光（HL）脅迫易誘導萊茵衣藻（C. reinhardtii）產(chǎn)生氧化應激反應，不僅會促使次級代謝物異常積累，還會顯著抑制其生物質合成，制約萊茵衣藻生物制品的高效產(chǎn)出。褪黑素（MT）作為一種具有強抗氧化活性的生物調節(jié)劑，在緩解植物逆境脅迫、調控生長代謝方面發(fā)揮重要作用，但關于其在強光脅迫下對萊茵衣藻生長及代謝物生成的調控機制尚未明確。本研究以此為切入點，系統(tǒng)探究褪黑素在強光壓力下對萊茵衣藻生長狀態(tài)和代謝物合成的調控效應及分子機制，為提升萊茵衣藻生物制品產(chǎn)量提供理論支撐與技術參考。
本研究通過設置單強光對照組（HL組）與強光+10 μM褪黑素處理組（HL+10 μM MT組），對萊茵衣藻進行為期7天的脅迫處理，結合生物量測定、成分分析、分子生物學檢測及轉錄組測序等技術，系統(tǒng)解析褪黑素的調控作用。結果顯示，與HL對照組相比，HL+10 μM MT組萊茵衣藻的生長與代謝指標得到顯著改善：生物量從0.39 g/L提升至0.43 g/L，增幅達10.3%；脂質含量從干重（DW）38.9%提升至40.3% DW，增幅為3.6%，實現(xiàn)了生物質與目標代謝產(chǎn)物的協(xié)同提升。
機制探究表明，外源性褪黑素的施加有效緩解了強光脅迫對萊茵衣藻造成的光損傷，一方面通過增強機體抗氧化能力抑制氧化應激反應，為細胞生長提供穩(wěn)定內環(huán)境；另一方面通過調控代謝通路，促進初級與次級代謝物的有序積累。分子層面上，外源性褪黑素不僅能夠顯著上調萊茵衣藻體內關鍵生物合成酶的表達水平，還可激活內源性褪黑素的生物合成通路，形成“外源性補充-內源性激活”的協(xié)同調控效應，進一步強化其抗逆能力與代謝調控作用。
轉錄組分析結果進一步揭示了褪黑素調控萊茵衣藻生長代謝的分子靶點，其中與氮代謝、脂質生物合成、DNA復制及類胡蘿卜素合成相關的基因家族被顯著上調。氮代謝基因的上調有助于優(yōu)化細胞氮素利用效率，為蛋白質合成與能量代謝提供保障；脂質生物合成基因的高表達直接推動脂質積累，提升目標產(chǎn)物產(chǎn)量；DNA復制相關基因的激活則有利于促進細胞分裂與增殖，提升生物量；類胡蘿卜素合成基因的上調可增強細胞抗氧化能力，進一步緩解強光脅迫損傷。
本研究明確了褪黑素在緩解萊茵衣藻強光損傷、調控生長代謝中的核心作用，證實了“強光+褪黑素”組合模式在提升萊茵衣藻生物制品產(chǎn)量方面的巨大潛力。研究結果不僅豐富了褪黑素在微藻逆境調控中的作用機制，為解析褪黑素在強光脅迫下的調控網(wǎng)絡提供了新的分子視角，也為微藻生物制品高效生產(chǎn)的逆境調控技術研發(fā)提供了重要理論依據(jù)與實踐指導。
原文及鏈接：The role of melatonin in enhancing antioxidant capacity and mitigating high light-induced damage in?Chlamydomonas
