蓝光驱动的代谢调控增强了混合营养型藻类Chromochloris zofingiensis突变体CZ-LZM3中的类胡萝卜素生物合成

《Food Bioscience》：Blue light-driven metabolic regulation enhances carotenoids biosynthesis in mixotrophic Chromochloris zofingiensis mutant CZ-LZM3

　　•BL显著促进了类胡萝卜素的积累，同时保持了强健的生长。•在第12天时，BL达到了200克/升的干重和1.54克/升的总类胡萝卜素产量。•BL影响了Calvin循环、线粒体代谢和碳流分配。•在BL的作用下，糖酵解、PPP、TCA循环、氨基酸和核苷酸代谢得到了增强。•BL显著上调了PSY、LCYb、LCYe和CHYb的表达。

引言
类胡萝卜素是一组天然存在的色素，由于其生物活性和健康促进特性，在食品、饲料、健康和化妆品行业中得到了广泛应用（Chukhutsina等，2022；Liang & Li，2023）。其中，叶黄素、玉米黄质和β-胡萝卜素因其在人体健康中的重要作用而受到广泛关注。叶黄素和玉米黄质被认为可以防止视网膜氧化损伤，尤其是在年龄相关性黄斑变性（AMD）、糖尿病性视网膜病变和白内障等疾病中（Keenan等，2025）。这些类胡萝卜素摄入不足与AMD风险增加密切相关，而AMD是老年人视力丧失和失明的主要原因之一（Liu等，2022）。此外，叶黄素和玉米黄质可能有助于保护皮肤细胞免受紫外线损伤，并与降低动脉粥样硬化、癌症和其他与年龄相关的疾病的风险有关（Mozaffarieh等，2003；Pietro等，2016）。β-胡萝卜素是维生素A的重要前体，在维持健康视力和免疫能力方面起着重要作用（Kona等，2021），而其缺乏可能导致失明和免疫防御能力下降。目前，商业化的叶黄素、玉米黄质和β-胡萝卜素主要来源于万寿菊花瓣、玉米和胡萝卜（Choi等，2025；Mukherjee等，2026；Zhang等，2023）。然而，这些作物的大规模栽培需要大量的耕地和劳动力投入，这大大增加了生产成本并限制了可持续性（Chen等，2021）。相比之下，微藻作为类胡萝卜素的有希望的替代来源，因为它们的栽培不会与食品生产竞争，并且比陆地植物具有更高的光合效率（Kryvenda等，2023）。微藻生物技术产业及其衍生物（包括类胡萝卜素、蛋白质和脂类）的快速发展，由于它们的营养价值和商业价值，在全球市场上受到了越来越多的关注。特别是微藻类胡萝卜素被广泛用于食品工业中，作为天然色素和功能性成分，提高了食品产品的视觉吸引力和抗氧化性能（Hamed等，2023）。同时，微藻蛋白质和脂类作为有价值的营养成分，通过提供必需的氨基酸、多不饱和脂肪酸和能量来支持人类健康（Deepika等，2026；Guo等，2024）。此外，微藻含有多种生物活性化合物，如维生素、多糖和酚类，这些化合物可以改善免疫功能、促进肠道健康，并减少功能性食品中对合成添加剂的依赖（Zhou等，2022），突显了它们作为现代食品工业可持续和健康促进资源的潜力。寻找高质量的藻株资源和优化栽培条件是当前微藻类胡萝卜素产业发展的关键任务。

化学诱变的Chromochloris zofingiensis突变体CZ-LZM3能够同时积累叶黄素、玉米黄质和β-胡萝卜素，这些类胡萝卜素占总干重的0.726%，表明它是一种有前景的这些类胡萝卜素共生产来源（Chen等，2022）。混合营养栽培可能是一种合适的策略，因为它结合了光驱动的光合作用与有机碳的利用，从而可能增强类胡萝卜素的产生并促进更有效的代谢重分配。认为开发高产菌株和有效的栽培策略对于实现这些有价值代谢物的大规模应用至关重要。尽管该物种已被确定为类胡萝卜素生产的优秀藻株，但其最佳栽培条件仍然未知，尤其是光照条件。由于光是驱动微藻生长和代谢活动的主要能量来源，优化光照条件对于充分利用混合营养栽培的优势至关重要（Bo等，2023）。光还通过特定波长的光受体和信号网络作为信号调节微藻的生理反应和代谢途径（Carrera-Pacheco等，2023）。与传统的人造光源相比，发光二极管（LED）在控制光强度、能量效率和光谱组成方面提供了更好的灵活性和精确度，使能够针对微藻代谢进行定向操作（Wan Mahari等，2024）。随着LED技术的快速发展，不同光谱对微藻生长、生理表现、代谢和高价值化合物生产的影响受到了越来越多的关注（Ievina & Romagnoli，2025）。蓝光（BL）因其在中和光合作用能量转换以及光受体介导的代谢调节中的双重作用而特别受到关注（Arend等，2023）。BL可以通过促进类胡萝卜素生物合成基因的表达、改善光合电子传输和诱导适度的氧化信号反应来促进类胡萝卜素的积累（Zhang等，2023）。与主要与光合激发和生物量积累相关的红光相比，BL通常对细胞信号途径和应激响应代谢表现出更强的调节作用，表明其作为提高微藻类胡萝卜素生产力的有效策略的潜力（Yuan等，2025）。例如，白光（WL）已被报道可以促进Scenedesmus obliquus CWL-1中的叶黄素积累（Leong & Chang，2023），而BL则可以增强Eustigmatos cf. polyphem中的β-胡萝卜素生物合成（Zhang等，2021）。尽管BL在刺激类胡萝卜素生产方面显示出相当大的潜力，但其背后的机制仍不甚明了，特别是在混合营养条件下如何调节中心碳代谢、前体供应和类胡萝卜素生物合成的代谢分配方面。为了解决这一空白，假设BL驱动的代谢调节通过协同机制增强了CZ-LZM3中的类胡萝卜素生物合成。具体来说，BL通过隐色素/光受体激活关键转录因子，上调了参与甲基赤藓糖-4-磷酸（MEP）途径和类胡萝卜素生成的基因，并重新编程了朝向类胡萝卜素积累所需前体池的中心碳代谢。因此，需要进一步的研究来阐明BL如何在混合营养条件下调节CZ-LZM3中的类胡萝卜素积累和代谢重编程，以及揭示光感知、碳代谢和类胡萝卜素生物合成途径之间的分子机制。

本研究旨在探讨LED提供的白光（WL）、蓝光（BL）和黄光（YL）对CZ-LZM3在混合营养条件下生长和三种主要类胡萝卜素积累的影响。此外，还探讨了CZ-LZM3的混合营养栽培用于天然类胡萝卜素商业生产的潜力，并系统地阐明了最佳光波长影响类胡萝卜素生物合成的机制，其中BL被认为是最有效的光波长。为了进一步阐明背后的机制，系统分析了Calvin循环和TCA循环中的关键酶活性，以及糖酵解、PPP、TCA循环、氨基酸和核苷酸代谢中的关键代谢物，提供了对BL下碳代谢协调和类胡萝卜素生物合成调控途径的更深入见解。此外，还评估了类胡萝卜素生物合成相关基因的表达，以明确BL在叶黄素、玉米黄质和β-胡萝卜素积累中的调节作用。本研究系统地探讨了混合营养栽培和光谱调节的整合作为CZ-LZM3中经济高效生产天然类胡萝卜素的有希望策略，为微藻资源的利用提供了宝贵的见解。

**微藻菌株和培养条件**
宽型Chromochloris zofingiensis菌株（ATCC 30412）由美国类型培养物收藏中心（ATCC，美国罗克维尔）提供。能够产生三种类型类胡萝卜素（即叶黄素、玉米黄质和β-胡萝卜素）的突变体CZ-LZM3是通过乙基甲磺酸盐（EMS）诱变产生的，随后在改良的Endo培养基中培养（Chen等，2022）。

**光谱对生物量和类胡萝卜素积累的影响**
如图1A所示，在整个培养期间，所有处理组的生物量积累逐渐增加。在早期生长阶段，暗对照组、WL组和BL组的生物量产量相当。随着培养的进行，不同光照条件之间的差异变得明显。从大约第5天开始，暗对照组始终表现出最高的生物量积累，第12天达到217克/升。相比之下，WL组、BL组和YL组的最终生物量较低。

**结论**
本研究表明，在三种不同光谱条件下对Chromochloris zofingiensis CZ-LZM3进行混合营养栽培时，BL是类胡萝卜素生产的强大刺激因素。BL下RuBisCO和柠檬酸合酶活性的明显变化突显了叶绿体与线粒体之间紧密协调的相互作用，这对维持能量供应和促进碳的重新分配至关重要。

**作者贡献声明**
黄伟超：方法学、正式分析。
赵雅飞：资源、方法学。
毕永红：写作 - 审阅与编辑、资金获取。
宋高飞：方法学、正式分析。
刘明萌：调查、数据管理。
陈巧红：写作 - 审阅与编辑、初稿写作。
万东：资源、方法学。
米武娟：资源、方法学。

**未引用参考文献**
Zhang等，2023；Zhang等，2023。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

**数据可用性**
数据可根据请求提供。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金（31971477和32603276）、湖北省农业微生物产业发展揭榜计划（NYWSWZX2025-2027-09）、国家重点研发项目（2020YFA0907402和2021YFC3200900）的支持。

**作者名单**
陈巧红 | 刘明萌 | 米武娟 | 万东 | 赵雅飞 | 黄伟超 | 宋高飞 | 毕永红