生物素调控胁迫条件下Chromochloris zofingiensis虾青素与脂肪酸协同积累的多组学机制

本研究针对微藻在氮缺乏(ND)和高盐(HS)胁迫下生长抑制及次级代谢产物合成受限的问题，通过外源添加生物素(1000?μg?L?1 )，显著提升Chromochloris zofingiensis生物量（干重DW）、虾青素（3.29倍）和总脂肪酸(TFA)产量（54%），结合转录组与代谢组分析揭示其通过调控PSY/PDS等关键基因及能量代谢通路实现胁迫耐受与产物协同积累，为微藻工业化生产提供新策略。

　　

在绿色生物制造领域，微藻因其能同时合成高价值化合物如虾青素和脂肪酸而备受关注。然而，胁迫条件虽能诱导产物积累，却常伴随活性氧(ROS)爆发和生长抑制，成为产业化的瓶颈。Chromochloris zofingiensis作为新兴模式藻种，其异养发酵虽能实现高细胞密度，但虾青素含量仅为商业藻株Haematococcus pluvialis的1/10。如何突破胁迫条件下的生长-产物权衡效应，成为研究者亟待解决的难题。

为解决这一矛盾，中国研究人员在《Algal Research》发表研究，通过梯度浓度生物素干预，结合多组学技术，系统解析了生物素在ND和HS胁迫下对C. zofingiensis生长及代谢产物的调控网络。研究发现，生物素不仅能缓解ROS压力，还可通过重塑碳流向显著提升虾青素（达对照3.29倍）和TFA（提升54%）产量，揭示了其作为"代谢开关"的双重功能。

关键技术方法
研究采用ATCC 30412藻株，在含5?g?L^?1
葡萄糖的Kuhl培养基中进行异养培养。通过设置0-1000?μg?L^?1
生物素梯度，测定DW、ROS及产物含量；利用RNA-seq和LC-MS/MS进行转录组与代谢组联合分析，重点检测了PSY、FabH等关键基因表达及代谢通路变化。

研究结果

1. 生物素浓度对生长及ROS的影响
1000?μg?L^?1
生物素使ND和HS组DW分别提升2.1倍和1.8倍，同时ROS水平降低37-42%。表明生物素通过维持氧化还原平衡打破胁迫下的生长限制。

2. 虾青素与脂肪酸的协同积累
在最优浓度下，虾青素含量达4.7?mg?g^?1
DW，TFA产量提升至细胞干重的32%。时序分析显示生物素通过延迟ROS峰值出现时间（延后48小时），为产物积累创造时间窗口。

3. 多组学机制解析
ND条件下：生物素显著富集氨基酸和脂代谢通路，上调FabH（β-酮脂酰ACP合酶）和FabG（β-酮脂酰ACP还原酶）表达2.3-3.1倍。
HS条件下：激活MEP途径关键酶DXS（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶），使虾青素前体供应增加；同时PSY（八氢番茄红素合成酶）表达量提升4.7倍，驱动类胡萝卜素流转向虾青素合成。

结论与意义
该研究首次阐明生物素通过三重机制调控微藻胁迫响应：①作为羧化酶辅因子维持ACCase活性，保障脂肪酸延伸；②通过CAC2基因调控减少ROS积累；③重构MEP与糖酵解通量分配。这种"一石三鸟"效应使其成为理想的代谢工程靶点，为开发"抗逆-高产"一体化微藻培养体系提供理论依据。产业应用上，1000?μg?L^?1
的优化浓度可直接整合至现有发酵工艺，具有显著转化潜力。研究建立的梯度分析框架也为其他次级代谢产物的调控研究提供了范式参考。