雨生红球藻外多糖调控光合作用及虾青素合成的机制研究及其应用价值

本研究针对雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)外多糖(HPEPS)的生理功能不明问题，通过生理学与代谢组学分析，揭示220 mg/L HPEPS可通过抑制细胞分裂、增强光合效率(提升1.36倍生物量)及激活卡尔文循环等通路，显著促进虾青素(astaxanthin)积累(含量提升2.6倍)，首次发现微藻外多糖含古洛糖醛酸(GulA)，为天然虾青素生产提供了新策略。

　　

在天然抗氧化剂领域，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)因其超强的虾青素(astaxanthin)生产能力被誉为"藻类宝石"。虾青素作为最强抗氧化剂之一，在保健品和水产养殖中需求激增，预计2027年全球市场规模将达34亿美元。然而，当前生产技术面临两大瓶颈：一是高光胁迫下藻细胞生长受限，二是细胞壁结构动态变化产生的溶解物质——外多糖(HPEPS)的生理功能未知。这些溶解的"细胞废弃物"是否暗藏调控玄机？宁波大学的研究团队通过多维度解析，揭开了HPEPS作为"细胞信号分子"的惊人作用。

研究采用生理参数测定、代谢组学分析和结构表征三大技术体系。从40天培养的藻液中分离HPEPS，设置0-440 mg/L浓度梯度处理组，监测细胞密度、直径(显微测量)、光合参数(PAM荧光仪)、呼吸速率(氧电极法)，结合LC-MS非靶向代谢组学解析代谢通路，并通过红外光谱和高效凝胶色谱进行多糖结构鉴定。

HPEPS对细胞生长的影响
220 mg/L HPEPS处理使细胞直径扩大至1.25倍，形成"巨型细胞工厂"。这种"分裂抑制-体积扩张"效应为生物量(提升1.36倍)和虾青素(含量达2.6倍)提供了储存空间。高分辨率显微观察显示，HPEPS促使细胞外基质(ECM)有序降解，加速初级壁(PW)向次级壁(SCW)转化。

光合与能量代谢调控
HPEPS处理组的光系统II(PSII)最大量子效率(F_v/F_m)提升17%，同时维持ATP/ADP比值稳定。代谢组学揭示其通过三重机制增强前体供应：激活卡尔文循环的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活性；促进光呼吸途径的甘氨酸-丝氨酸转化；启动乙醛酸循环 bypass 三羧酸循环(TCA)的碳损失。

结构突破性发现
HPEPS被鉴定为含37.4%古洛糖醛酸(GulA)的杂多糖——这是微藻外多糖中GulA的全球首次报道。其特有的β-1,3糖苷键结构与细胞壁β-葡聚糖合成酶基因上调表达高度相关，暗示结构-功能特异性。

这项研究颠覆了"外多糖仅是代谢废物"的传统认知，证明HPEPS是协调细胞形态重建与代谢重编程的"智能信号"。技术层面，创建了"外源HPEPS诱导-内源代谢响应"的虾青素增产模式；理论层面，填补了微藻胞外多糖结构-功能关系的知识空白。研究成果发表于《Algal Research》，为天然抗氧化剂的绿色制造提供了教科书级范例。