综述：对微藻中类胡萝卜素代谢的复杂调控机制的深入探讨

《Bioresource Technology》：In-depth exploration into the multifaceted regulatory mechanisms of carotenoid metabolism in microalgae

　　

梁明华|李崇平|张伟平|王大志

南方海洋科学与工程 Guangdong 实验室（广州），中国广州 511458

摘要

微藻是一种可持续且高效的生产天然类胡萝卜素的方法，具有易于培养、生长迅速、光合作用高效、产量高等优点，并且不会与耕地竞争，同时还能利用二氧化碳（CO₂）和废水。随着对天然类胡萝卜素需求的增长，探索提高微藻类胡萝卜素产量的方法至关重要。这需要全面了解微藻类胡萝卜素代谢的调控机制。本文综述了真核微藻类胡萝卜素生物合成调控结构的最新进展，重点介绍了化学和环境信号如何重新编程转录、翻译后修饰、染色质状态、表观遗传标记以及代谢流，以平衡类胡萝卜素的积累与细胞生长和抗逆性。通过整合多组学、分子生物学和人工智能（AI）工具来解析这些复杂的调控机制，将能够合理设计出高产类胡萝卜素、光合作用性能强且抗逆性高的智能微藻菌株。该综述为优化微藻类胡萝卜素的生产以用于工业应用以及微藻类胡萝卜素代谢的调控机制提供了新的见解。

引言

类胡萝卜素是一类天然存在的色素，它们通过清除活性氧（ROS）、通过叶黄质循环耗散多余的激发能量，并通过代谢转化为植物激素（如脱落酸）来保护光合装置并稳定膜完整性，从而显著提高对盐度、干旱和寒冷的耐受性（Liang 和 Li, 2023; Uarrota 等, 2018）。由于类胡萝卜素的营养价值和生物活性，它们在各个领域发挥着重要作用（Takaichi, 2025）。在人类营养领域，类胡萝卜素作为具有抗氧化特性的必需营养素，有助于保护细胞免受自由基的损伤，并降低患慢性疾病（如眼病、癌症和心血管疾病）的风险。在化妆品行业中，类胡萝卜素被广泛用作天然色素和抗衰老成分，因为其抗氧化特性可以延缓皮肤老化并改善皮肤健康（Liang 和 Li, 2023; Luan 等, 2020）。在水产养殖中，类胡萝卜素被添加到饲料中以增强鱼类和贝类的色泽和营养价值，从而提高其市场价值和生长性能。在这些化合物中，虾青素、β-胡萝卜素和叶黄素这三个市场份额最大的类胡萝卜素因其在食品、营养补充剂和化妆品行业的商业应用而备受重视。

与其他选择相比，微藻是天然类胡萝卜素的更优来源。与细菌、真菌和哺乳动物细胞相比，微藻能够进行光合作用，将光和二氧化碳（CO₂）转化为蛋白质、脂质和类胡萝卜素等有机化合物（Gupta 等, 2024）。与受季节周期限制且需要从大量生物质中提取类胡萝卜素的高等植物不同，微藻可以在几小时到几天内合成类胡萝卜素，且没有这些限制。这种快速生长和高效的生产特点使微藻成为类胡萝卜素生产的理想选择。微藻的光合作用能力最强，吸收二氧化碳（CO₂的速率比维管植物高10至50倍。微藻的一个独特特征是其二氧化碳浓度机制（CCM），其中碳酸酐酶（CA）在促进二氧化碳（CO₂的水合和浓缩以及提高 RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的效率方面起着关键作用（Burlacot 等, 2022）。生长迅速的微藻可以在光生物反应器或开放池塘中进行大规模培养，实现一年四季、不受季节影响的类胡萝卜素生产。此外，某些微藻物种被归类为“普遍认为安全”（GRAS），并且本身含有高水平的类胡萝卜素。例如，耐盐微藻 Dunaliella salina 以生产高量的 β-胡萝卜素（cis-β-胡萝卜素约占 50%，且生物活性高）而闻名，有些菌株能积累占其干重的 10% 至 14% 的类胡萝卜素（Sayegh 等, 2025）。淡水藻类 Haematococcus lacustris（以前称为 Haematococcus pluvialis）目前被认为是最佳的天然虾青素来源，其含有高达 5% 的虾青素（Samara 等, 2025）。这些菌株是主要的天然类胡萝卜素商业生产菌株。由硅藻 Phaeodactylum tricornutum 产生的岩藻黄质因其健康益处（包括抗氧化、抗炎和抗癌特性）而受到关注（Takaichi, 2025）。此外，微藻可以在最低限度的培养基（主要是碳、氮和微量元素）上生长，并能在废水或海水中茁壮成长，提供了一个成本效益高且环境可持续的生物生产平台。

来自微藻的类胡萝卜素已成为提高作物和藻类质量以及开发功能性食品的关键目标。随着全球对天然类胡萝卜素需求的增加，探索增加微藻类胡萝卜素产量的策略变得至关重要。这需要深入理解微藻类胡萝卜素代谢的分子机制。最近人工智能（AI）技术的爆发为类胡萝卜素生物合成的分子调控网络研究提供了前所未有的机会（Wu 等, 2025b）。本文总结了当前在探索类胡萝卜素生物合成多方面调控机制方面的研究进展，以及 AI 在推动真核微藻相关研究中的作用，强调了取得的突破和未来的挑战。

章节摘录

微藻中的类胡萝卜素代谢

不同微藻物种积累类胡萝卜素的能力各不相同。真核微藻，如高积累 β-胡萝卜素的 D. salina、生产虾青素的 H. lacustris 和 Chromochloris zofingiensis、富含叶黄素的 Chlorella、Tetraselmis 和 Scenedesmus、以及生产岩藻黄质的 Phaeodactylum 和 Nannochloropsis，都富含类胡萝卜素（Takaichi, 2025）。在微藻中，类胡萝卜素生物合成（图 1）主要通过甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径进行

微藻中类胡萝卜素生物合成的调控

在藻类生物学中，类胡萝卜素代谢的调控受到了广泛关注，因为类胡萝卜素在多种生理过程中发挥作用，并具有广泛的应用潜力。微藻具有独特的优势，使其成为研究类胡萝卜素代谢调控机制的理想模型。植物和微藻中的类胡萝卜素积累受到一个综合调控网络的调控，该网络同时感知发育信号和环境因素

未来挑战与前景

微藻是天然类胡萝卜素的优质生物资源。多种积累类胡萝卜素的微藻菌株，如 D. salina、H. pluvialis 和 P. tricornutum，非常适合用于解析类胡萝卜素代谢的调控机制。微藻凭借其快速生长、高效的光合作用、简单的培养要求和可持续性，在生产高价值生物制品（包括类胡萝卜素）方面具有巨大潜力。

研究已经

结论

利用多组学、分子生物学和 AI 技术，对微藻的基因组、表观基因组、转录因子和非编码 RNA 进行全面注释，将为解码类胡萝卜素代谢和应激反应的调控网络奠定坚实的基础。当前的藻类生物学研究通常只关注单一的调控层面，这凸显了开发一个多维度整合模型的紧迫性，该模型需要综合考虑“染色质状态-”

CRediT 作者贡献声明

梁明华：撰写 – 原稿撰写、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。李崇平：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。张伟平：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。王大志：撰写 – 审稿与编辑、指导、资源协调、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到 中国国家自然科学基金（编号 32470058）、广东省基础与应用基础研究基金（编号 2025A1515010835）以及 南方海洋科学与工程 Guangdong 实验室（广州）（编号 CL20250609001）的支持。