摘要
目前天然虾青素的商业化生产仅通过规模化培养雨生红球藻实现。雨生红球藻的培养包括绿细胞和红细胞阶段，在绿细胞阶段雨生红球藻进行营养生长，红细胞阶段则为诱导产虾青素的过程。雨生红球藻绿细胞生长速度缓慢、细胞产率低是该技术关键的限制性瓶颈之一。新一代人工光源发光二极管(light-emitting diode,LED)由于其光质更加可控，在微藻培养上具有巨大的应用前景。将LED技术应用于雨生红球藻绿细胞的培养有望突破技术瓶颈。 本研究的主要目的为评估不同光质对雨生红球藻绿细胞生长、形态、生理和生化组成的影响，尤其是评估对脂质组的影响。然后，对不同光质条件下获得的不同类型的绿细胞进行胁迫诱导，评估其产虾青素的能力。主要研究结果如下: (1)本研究比较了七种不同光质(蓝光450nm、蓝红2/1、蓝红1/1、蓝红1/2、红光660nm、白光以及红外730nm)对雨生红球藻绿细胞生长的影响，发现绿细胞在蓝红混合光以及蓝光下细胞数高(蓝红1/2条件下细胞数最高)，而在红光和白光下干重高，在红外下基本不生长。进一步分析发现虽然蓝红1/2以及蓝光下的绿细胞数量高，但细胞尺寸小、叶绿素自发荧光信号弱、胞内光合色素含量、淀粉含量以及胞内颗粒性低。 (2)本研究对蓝光、蓝红1/2、红光和白光下培养的雨生红球藻绿细胞进行了脂质组学分析。从总脂来看，培养早期不同光质组的总脂含量没有显著差别，约占细胞干重的30％;到稳定期，白光组的总脂含量升高为36％，显著高于其他组。不同光质培养的绿细胞的脂质组也有明显的差异。无论是培养早期还是后期，蓝光组的磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol,PG)含量显著高于其他组，而蓝红1/2组的磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine，PE)高、红光组的单半乳糖基二酰基甘油(monogalactosyldiacylglycerol，MGDG)高。另外，在稳定期，白光组有更多脂质类别包括双半乳糖基二酰基甘油(digalactosyldiacylglycerol，DGDG)、硫代异鼠李糖二酰基甘油(sulfoquinovosyl-diacylglycerol，SQDG)、磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)、甜菜碱脂(diacylglyceryltrimethylhomo-Ser,DGTS)和磷脂酰肌醇(phosphoinositides，PI)的含量是显著高于其它组的。从脂质分子来看，蓝光和红光对雨生红球藻绿细胞的脂质组显示出相反的调控作用，尤其是在培养早期。蓝红1/2组是细胞分裂速度最快的组，它的脂质组与蓝光组的相似，但与红光组显著不同。本研究揭示了不同光质对细胞分裂的影响有可能是通过重塑脂质组来实现的。 (3)最后本研究提出了光质转换的培养模式，试图在绿细胞阶段同时实现细胞数目和细胞体积的提升。研究设置了蓝红1/2转红光、红光转蓝红1/2两种模式，并采用蓝红1/2和红光为对照。研究发现在培养过程中将蓝红1/2替换为红光时，细胞变大，光合色素含量增多，胞内颗粒性上升，但细胞分裂减慢。培养过程中将红光替换为蓝红1/2时，细胞分裂显著加快（培养终点细胞数甚至超过一直使用蓝红1/2得到的终点细胞数），但细胞变小，胞内光合色素含量减少，胞内颗粒性下降。综上，红光转蓝红1/2条件下可以得到最高的细胞数以及最小的细胞，而红光条件下可以得到最低的细胞数以及最大的细胞。进一步的，将红光转蓝红1/2培养模式下获得的体积较小的细胞和红光及白光条件下培养的体积较大的细胞以相同细胞数接种于相同胁迫条件下进行诱导，发现红光转蓝红1/2下培养的种子比红光及白光下培养的种子能积累更高含量的虾青素，分别高出13％和 18％。 综上，本文全面研究了光质对雨生红球藻绿细胞生长、形态、生理、生化组成和脂质组的影响，并进一步对光配方进行优化，获得的最优“红光转蓝红1/2”条件下的细胞数远超过生产上普遍使用的白光下的细胞数，且这些细胞在胁迫阶段的虾青素产量和产率并没有降低，虾青素的含量甚至更高。本文可为雨生红球藻培养用光配方的开发提供有价值的信息，尤其可以帮助解决雨生红球藻绿细胞阶段细胞分裂缓慢、细胞产率低的问题。
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