雨生紅球藻生長和蝦青素積累條件的研究進(jìn)展

陶云瑩++王巧晗++宮慶禮

摘要：綜述了雨生紅球藻生長和蝦青素積累的多種影響因素，包括環(huán)境因子（光照、溫度、鹽度、pH）、營養(yǎng)鹽、維生素、微量元素及植物激素，以期為雨生紅球藻的科學(xué)化養(yǎng)殖及利用提供參考。

關(guān)鍵詞：雨生紅球藻；生長；蝦青素積累；環(huán)境因子；營養(yǎng)鹽；維生素；微量元素；植物激素

雨生紅球藻（Haematococcus plivialis）是綠藻門（Chlorophata）、綠藻綱（Chlorophyceae）、團(tuán)藻目（Volvocales）、紅球藻科（Haematococcaceae）、紅球藻屬（Haematococcus）的一種淡水單細(xì)胞綠藻[1]，它作為公認(rèn)的天然蝦青素的“濃縮產(chǎn)物”，在逆境環(huán)境脅迫下能迅速地積累蝦青素，含量最高可達(dá)其細(xì)胞干重的4%以上[2]。所生產(chǎn)的蝦青素是一種紅色的類胡蘿卜素酮化物[3]，被廣泛地應(yīng)用于養(yǎng)殖[4]、醫(yī)藥 [5]及保健[6]等行業(yè)。目前，國內(nèi)外關(guān)于利用雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素的研究已有幾十年的歷程，取得了顯著的研究成果。在培養(yǎng)過程中，雨生紅球藻的生長和蝦青素積累都會受到多種條件的影響。本文總結(jié)了雨生紅球藻生長和蝦青素積累影響因素的研究進(jìn)展，以期為雨生紅球藻的科學(xué)化養(yǎng)殖及利用提供參考。

1環(huán)境因子對雨生紅球藻生長和蝦青素積累的影響

1.1光照

光照強(qiáng)度是雨生紅球藻生長的重要因素。一般認(rèn)為其生物量增長的適宜光照強(qiáng)度范圍是50～90 μmol/（m2·s），光照強(qiáng)度過高則不利于雨生紅球藻的生長。不同研究結(jié)果得出的雨生紅球藻的最適宜的光照強(qiáng)度不同，You等認(rèn)為80～120 μmol/（m2·s）為生長的最適光照強(qiáng)度[7]，而Christoph等則認(rèn)為低于30 μmol/（m2·s）時有利于藻細(xì)胞的生長[8]。這可能是因為實驗藻種的品系不同等造成的。另外，光照周期對雨生紅球藻生長的影響和光照強(qiáng)度有關(guān)：高光強(qiáng)，連續(xù)光照和間隔光照都將抑制藻細(xì)胞的生長；低光強(qiáng)，連續(xù)光照更有利于其生長；中等光強(qiáng)，連續(xù)光照和間隔光照差別不顯著[9]。

光照對雨生紅球藻中蝦青素的積累也有顯著的影響。蔣敏霞等實驗表明160 μmol/（m2·s）下，獲得最大蝦青素產(chǎn)量[10]，多數(shù)研究學(xué)者支持高光強(qiáng)利于誘導(dǎo)蝦青素的積累的觀點，但光照強(qiáng)度過高也會導(dǎo)致藻細(xì)胞的大量死亡[11]。雖然高光強(qiáng)是蝦青素合成的重要因子但非必要條件，在沒有光照的異養(yǎng)條件下，雨生紅球藻也能合成蝦青素，只是合成速度較低[12]。Tomohisa等還用不同頻率和強(qiáng)度的光誘導(dǎo)蝦青素時發(fā)現(xiàn)，低頻率脈沖光源能有效地提高蝦青素產(chǎn)量[13]。還有研究表明紅光比藍(lán)光更有利于雨生紅球藻的生長，而藍(lán)光則更能促進(jìn)蝦青素的合成[14]。

1.2溫度

當(dāng)溫度為20 ℃左右時，雨生紅球藻的生長狀態(tài)最佳；當(dāng)溫度高于30 ℃時，紅球藻細(xì)胞的生長將受到限制，但有利于蝦青素的積累。Tjahjono等報道在30 ℃培養(yǎng)條件下，雨生紅球藻的蝦青素產(chǎn)量是20 ℃條件的3.5倍[15]。他們認(rèn)為是由于高溫生成了更多的活性氧，而活性氧能誘導(dǎo)蝦青素的積累。也有可能是高溫影響了雨生紅球藻的正常分裂生長，從而使蝦青素的含量相對提高。另外，Tripathi等發(fā)現(xiàn)35 ℃能促進(jìn)各種條件下雨生紅球藻中蝦青素的積累[16]。

1.3pH

雨生紅球藻適宜生長在中性或弱堿性的環(huán)境中。目前普遍認(rèn)為pH在7-8時適宜紅球藻的生長繁殖。也有研究表明pH值5-10是雨生紅球藻可耐受的酸堿范圍[17]，姜悅等研究發(fā)現(xiàn)，雨生紅球藻在pH為11的環(huán)境下仍能生長，但生長速度較慢[1]。另外，蝦青素的含量和培養(yǎng)基環(huán)境中pH的變化有很大的相關(guān)性，Sarada R等認(rèn)為pH為7時，蝦青素的含量明顯增高[18]。而張睿欣在研究異養(yǎng)培養(yǎng)下雨生紅球藻蝦青素積累中發(fā)現(xiàn)，在pH為10時，蝦青素的含量最高[19]。

1.4鹽度

鹽度是影響微藻生長發(fā)育的重要因子。適當(dāng)增加鹽度能加快雨生紅球藻孢囊的形成，促進(jìn)蝦青素的積累，但不利于藻細(xì)胞的生長繁殖，過高的鹽度還會造成藻細(xì)胞的大量死亡[10]。目前，鹽度促進(jìn)雨生紅球藻細(xì)胞中蝦青素的積累的作用機(jī)制尚不清楚，Boussiba通過添加氯化鈉使BG-11培養(yǎng)基的鹽度增加0.8%時，能促進(jìn)蝦青素的積累[20]；而在同樣的鹽度條件，莊惠如等用BBM培養(yǎng)基培養(yǎng)雨生紅球藻卻無色素積累[21]。

2營養(yǎng)鹽及維生素對雨生紅球藻生長和蝦青素積累的影響

2.1碳源

雨生紅球藻有光合自養(yǎng)、異養(yǎng)和混合營養(yǎng)生長三種營養(yǎng)類型[22]。韋韜等研究了不同二氧化碳濃度和硝酸鉀濃度對雨生紅球藻生長及蝦青素累積的影響。結(jié)果表明，較高濃度的CO2（600×10-6）能夠顯著促進(jìn)雨生紅球藻的生長、光合作用的進(jìn)行和蝦青素的累積[23]。董袆婷在研究不同營養(yǎng)條件和環(huán)境因素對雨生紅球藻CG-11生長和蝦青素含量的影響時發(fā)現(xiàn)，添加0.5～1.0 g/L的乙酸鈉或碳酸氫鈉均能促進(jìn)紅球藻中蝦青素的積累，較對照組分別提高20.53%和27.50%，但當(dāng)濃度超過1.0 g/L時將對雨生紅球藻的生長表現(xiàn)出明顯的抑制作用[24]。

2.2氮源

氮對植物的生長發(fā)育有著重要的作用，是植物所必需的大量元素。Borowitzka報道了NO-3-N是雨生紅球藻的最佳氮源形式[25]，而應(yīng)巧蘭等認(rèn)為NH+4-N下雨生紅球藻的生長速率高于硝態(tài)氮[26]。研究表明，適宜濃度的氮源將加快雨生紅球藻的生長，高濃度的氮源則會抑制蝦青素的合成，缺氮或低濃度的氮源將促進(jìn)藻細(xì)胞中蝦青素的積累。董袆婷研究表明雨生紅球藻在完全缺乏氮或磷條件下，蝦青素含量最高為生物量的3.69%，比對照分別提高了21.50%和2252%[24]；但有學(xué)者表示，氮源是蝦青素合成所必需的元素，他們認(rèn)為較高的細(xì)胞密度是雨生紅球藻中蝦青素大量積累的前提，而高密度生長則需要存在大量的氮源，來滿足生長所需蛋白質(zhì)的合成。

2.3維生素

張英等在研究維生素B1、B12對雨生紅球藻營養(yǎng)生長和脅迫階段各生長指標(biāo)的影響時發(fā)現(xiàn)，添加ω（B12）=5×10-8維生素B12使雨生紅球藻生長率、脅迫條件下的微藻存活率、以及蝦青素產(chǎn)量分別比對照組提高21%、264%和43%以上[27]。另外，他們還得出單獨添加維生素B1和B12的培養(yǎng)組中，孢子率會明顯下降，這為降低蝦青素的提取難度和提高蝦青素的利用率提供了新的研究思路。

3微量元素對雨生紅球藻生長和蝦青素積累的影響

3.1鐵

李濤等研究了Fe3+對雨生紅球藻生長及熒光特性的影響。研究表明，適合雨生紅球藻CG-06株生長的Fe3+濃度為8.95 μmol/L， Fe3+濃度較高時，雨生紅球藻的生長受到抑制，F(xiàn)e3+濃度低于1.79 μmol/L將產(chǎn)生低鐵限制[28]。

3.2銅、鋅、鈷

劉偉成等通過單因子試驗和正交試驗研究了Cu2+、Zn2+、Co2+三種微量元素離子對雨生紅球藻生長的影響。結(jié)果表明，三種金屬離子的最適濃度分別是2.0×10-8、3.4×10-7、6.0×10-7 mol/L， 且Cu2+和Co2+存在明顯的交互作用[29]。

3.3鈰

李哲等運用高效液相色譜分析法研究了稀土元素Ce3+對雨生紅球藻生長及蝦青素積累的影響。結(jié)果表明，Ce3+的質(zhì)量濃度為0.1 g/L時，細(xì)胞密度比對照組提高了34%，對生長的促進(jìn)作用最佳；當(dāng)Ce3+的質(zhì)量濃度為1 g/L時，蝦青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到細(xì)胞干重的3.2%，較對照組提高167%[30]。

4外源激素對雨生紅球藻生長和蝦青素積累的影響

植物的生長發(fā)育進(jìn)程受到各種激素的調(diào)控，雨生紅球藻也不例外，在它的生活周期中，植物激素也發(fā)揮著重要的作用。孟春曉等研究發(fā)現(xiàn)向MCM培養(yǎng)基中添加2 mg/L的ABA有利于蝦青素的合成[31]，高水平的ABA可能是一種逆境脅迫因子，而雨生紅球藻在逆境下能通過快速積累蝦青素的自我保護(hù)機(jī)制來緩解脅迫壓力。他們還研究表明一定質(zhì)量濃度（5 mg/L）的GA3對雨生紅球藻積累蝦青素有顯著促進(jìn)作用，但質(zhì)量濃度過高（20 mg/L）將會對紅球藻細(xì)胞產(chǎn)生致死作用[32]。外源生長素對微藻細(xì)胞生長發(fā)育的影響已有不少的研究報道。高政權(quán)等實驗結(jié)果表明生長素類似物NAA對雨生紅球藻生長的影響也具有雙重性，即低濃度能促進(jìn)藻細(xì)胞生長和分裂，濃度過高則會抑制分裂甚至對細(xì)胞有致死效應(yīng)，還發(fā)現(xiàn)0.05 mg/L的NAA能有效地促進(jìn)紅球藻中蝦青素的積累[33]。許多學(xué)者從分子生物學(xué)的角度研究了雨生紅球藻中蝦青素合成的幾個關(guān)鍵酶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，結(jié)果表明β-胡蘿卜素酮化酶基因（BKT）和β-胡蘿卜素羥化酶基因（CRTR-B）的5上游側(cè)翼序列中可能存在脫落酸反應(yīng)元件（ABRE）、赤霉素反應(yīng)元件（P-box）、茉莉酸甲酯反應(yīng)元件、乙烯相關(guān)的順式反應(yīng)元件（ERE）和水楊酸反應(yīng)元件（TCA-element），它們將影響基因自身的轉(zhuǎn)錄和翻譯[31-37]。

5展望

目前國內(nèi)外就雨生紅球藻的研究已取得較大的進(jìn)展，但仍存在亟需改善的技術(shù)瓶頸等問題。植物激素或生長調(diào)節(jié)劑在微藻培養(yǎng)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，添加適宜濃度的生長調(diào)節(jié)劑能促進(jìn)雨生紅球藻的生長，縮短培養(yǎng)周期，還能增加生物量和次生代謝產(chǎn)物的積累。與現(xiàn)有的物理或化學(xué)影響因子相比，植物激素具有用量小、效果好、安全高等優(yōu)勢，對提高經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

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The study progress of Haematococcus plivialis growth

and astaxanthin accumulation conditions

TAO Yunying， WANG Qiaohan， GONG Qingli

（College of Fisheries， Ocean University of China， Qingdao 26603， China）

Abstract：This paper reviewed many factors of Haematococcus plivialis growth and astaxanthin accumulation， including environmental factors （light， temperature， salinity， pH）， nutrients， vitamins， trace elements and plant hormones， aim to provide a reference of scientific culture and use.

Key words：Haematococcus plivialis； growth； accumulation of astaxanthin； environmental factors； nutrients； vitamins； trace elements； plant hormones