综述：利用微藻潜力：通过基因精准调控和胁迫诱导增强虾青素和生物燃料生产

这篇综述全面探讨了利用微藻（Microalgae）同步生产高价值虾青素（Astaxanthin）和生物燃料（Biofuel）的创新策略。作者系统分析了胁迫诱导（如盐度、光照、营养限制）、植物激素处理、培养系统优化以及CRISPR/Cas9基因编辑等技术，特别强调二酰基甘油酰基转移酶（DGAT）在虾青素酯化中的关键作用，为解决"生长-产量权衡"难题提供了多维度解决方案。

　　

微藻作为可持续生物工厂的崛起

随着全球人口增长和化石燃料过度消耗，微藻因其卓越的光合效率和代谢多样性，成为生产虾青素和生物燃料的理想生物工厂。这两类高价值代谢产物在生物能源、医药、化妆品和营养保健品领域具有广泛应用，但产量提升始终面临生长与产物积累的权衡难题。

脂质生物合成的精密调控

微藻脂质主要包括三酰甘油（TAGs）、硫代异鼠李糖基二酰甘油（SQDG）和单半乳糖基二酰甘油（MGDG）。TAGs作为主要储能物质，可通过两条途径合成：传统脂肪酸合成（FAS）途径需要大量能量，而聚酮合酶（PKS）途径则能更高效地生产多不饱和脂肪酸（PUFAs）。关键限速酶乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）将乙酰-CoA转化为丙二酰-CoA，随后通过脂肪酸合酶（FAS）逐步延长碳链。

胁迫诱导的智能调控策略

多种环境胁迫可显著改变微藻代谢流向：

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  光照调控：450-470nm蓝光与640-680nm红光组合使雨生红球藻（H. pluvialis）脂质含量提升50%

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  盐度胁迫：Scenedesmus quadricauda在160mM NaCl下脂质含量达39.42%

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  重金属刺激：20mg/L Mg²⁺使生物量增加4倍，Cd²⁺处理使Chlorella UTEX2341脂产率达249.4mg/L/d

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  氮缺乏：Chlorella vulgaris和Nannochloropsis sp.脂含量分别提升2-5倍和7-10倍

植物激素的协同效应

外源添加植物激素可突破生长抑制瓶颈：

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  水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）上调PSY、PDS等类胡萝卜素合成基因

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  脱落酸（ABA）激活fabF、fabI等脂肪酸延长基因

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  吲哚乙酸（IAA）使Scenedesmus obliquus生长速率提高1.9倍

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  褪黑素（Melatonin）使氮胁迫下Chlamydomonas reinhardtii脂含量倍增

虾青素生物合成的奥秘

虾青素作为最强抗氧化剂之一，其效力远超β-胡萝卜素和番茄红素。生物合成始于甲基赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）途径产生的IPP，经八氢番茄红素合成酶（PSY）、八氢番茄红素脱氢酶（PDS）等酶催化，最终由β-胡萝卜素酮化酶（BKT）和β-胡萝卜素羟化酶（CRTR-B）完成修饰。

基因编辑技术的革命性突破

CRISPR/Cas9系统相比传统ZFN和TALEN具有显著优势：

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  SpCas9-HF1变体使Nannochloropsis oceanica编辑效率提升86%

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  配对切口酶策略使Phaeodactylum tricornutum脱靶率降低97%

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  碱基编辑器精确修饰fad3基因，使Chlorella vulgaris脂含量提高35%

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  多重编辑同时敲除P. tricornutum中3个脂代谢相关基因

虾青素与脂质合成的协同机制

约95%虾青素分子通过与脂肪酸酯化存储在TAG富集的脂滴中。DGAT家族酶（尤其是DGAT1和DGAT2）在此过程中发挥核心作用：

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  DGAT1抑制剂A922500使虾青素合成减少55%

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  黄腐酚完全阻断酯化导致游离虾青素积累

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  胁迫条件下PSY、PDS等基因与脂肪酸合成基因（BC、ACP）协同上调

经济可行的联产策略

两阶段培养体系显著提升经济效益：

1. 1.

   优化生长阶段：25℃、150μmol光子/m²/s、充足氮源

2. 2.

   诱导阶段：高光+氮缺乏使H. pluvialis虾青素含量达4%

   废水培养使生物柴油成本从3.9美元/升降至0.54美元/升

   选择性提取技术使虾青素（丙酮提取1.82%）与脂质分离回收

未来展望

整合胁迫生理学与合成生物学，开发"智能微藻"系统：

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  动态调控乙酰-CoA分流

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  设计光敏感基因回路

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  优化DGAT酶底物特异性

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  开发原位产物萃取技术

  这些创新将推动微藻从单一产品生产向高值化、智能化生物制造转型。