雨生红球藻96样本转录组图谱与共表达网络解析揭示虾青素合成及次生细胞壁形成调控机制

本研究针对雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)产业应用中虾青素(astaxanthin)产量提升和次生细胞壁(SCW)阻碍提取等关键问题，通过96样本多时间点RNA-seq测序(96.7GB数据量)，构建包含39个模块的加权基因共表达网络(WGCNA)，新注释8,598个基因功能，发现与虾青素合成相关的salmon4模块(含β-胡萝卜素酮化酶BKT3)和SCW合成的bisque4模块(含甘露糖转移酶OCH1)。研究为微藻高值代谢产物生产提供重要分子调控靶点，发表于《Scientific Data》。

　　

在微藻生物技术领域，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)因其卓越的虾青素(astaxanthin)生产能力备受关注。这种被称为"抗氧化之王"的红色类胡萝卜素，在保健品、水产养殖和医药领域具有重要价值。然而，天然虾青素的生产面临三大瓶颈：藻体生物量积累不足、虾青素含量低、以及阻碍提取的次生细胞壁(SCW)形成。更令人困扰的是，促进生长的培养条件往往抑制虾青素积累，而诱导虾青素的高光胁迫又会触发SCW增厚——这种由藻烯(algaenan)和甘露聚糖(mannan)构成的三层结构，就像给藻细胞穿上"盔甲"，既影响动物消化吸收，又增加工业提取难度。

为破解这些难题，宁波大学海洋科学与技术学院(Key Laboratory of Aquacultural Biotechnology of Ministry of Education)的研究团队开展了一项系统性研究。他们采用两阶段培养策略：先在低光(25-30μmol photons m^-2s^-1)条件下促进生物量积累，再转换到高光(140μmol photons m^-2s^-1)诱导虾青素合成。通过设计26种处理组合（包括碘化钾、氮剥夺、果糖二磷酸等诱导剂），收集96个时间梯度样本，构建了迄今最全面的雨生红球藻转录组图谱。

研究主要采用三大技术手段：1) Illumina RNA-seq测序（MGISEQ-2000平台，单端测序，平均每个样本20M reads）；2) 加权基因共表达网络分析(WGCNA)（软阈值β=7，R²>0.9）；3) 多数据库联合注释（eggNOG、KEGG等5大数据库）。样本覆盖不同生长阶段（对数期/平台期）和胁迫条件（高光/化学诱导），通过HISAT2比对参考基因组(GCA_011766145.1)，TPM标准化量化基因表达。

背景与样本设计
研究团队精心设计了10批次实验：第I-III批聚焦虾青素增产（添加碘化钾、果糖二磷酸等诱导剂）；第IV-VI批探索SCW抑制（氮剥夺、尿苷处理等）；第VII-X批优化生物量积累（醋酸钠强化）。这种多因素时间序列设计，首次实现了对藻体"生长-转化-积累"全过程的动态捕捉。

转录组数据质量

96个样本共获得96.7GB高质量数据，平均比对率63.31%。样本间Pearson相关系数揭示：高光与低光样本差异显著(r=0.558)，而同处理重复样本相关性达0.950，证明数据高度可靠。

共表达网络构建

通过软阈值优化构建的共表达网络包含39个模块，平均每个模块732个基因。其中：

• salmon4模块富集于"类胡萝卜素合成"通路，包含关键酶BKT3(β-carotene ketolase)，其表达模式与虾青素积累正相关
• bisque4模块富集"半乳糖代谢"和"O-糖基化"，包含SCW合成相关酶GMPP(甘露糖-1-磷酸鸟苷酰转移酶)
• 模块互作分析显示salmon4与coral模块(r=0.61)、bisque4与cyan模块(r=0.85)存在显著协同

功能注释突破

突破性地注释了8,598个原未表征基因，发现：

• 1,354个基因参与代谢通路（如丙酮酸代谢）
• 245个转录因子（含33个GNAT家族、28个SNF2家族）
• 14个MYB-related转录因子可能调控胁迫响应

这项研究构建了雨生红球藻分子研究的里程碑式资源。其创新性体现在：1) 首次系统解析虾青素合成与SCW形成的模块化调控网络；2) 发现尿苷处理既能抑制SCW又促进虾青素积累的双重功效；3) 提供大量未表征基因的功能线索。这些发现不仅为基因工程改造藻株提供靶点，更对优化培养工艺具有指导意义——例如通过模块特征基因表达谱，可预测最佳收获时间，或设计组合诱导策略来打破"生物量-产物-细胞壁"的三角制约。该数据集已公开于NCBI(SRP521178)和GEO(GSE289633)，将成为微藻高值化研究的重要基石。