β胡萝卜素生物合成及盐藻养殖要点

1、盐藻(DunaliellaSalina是一种重要的盐田与盐湖生物,它是生命力极强的5拌m一20拌m大小的椭球形单细胞植物,可以在高盐度水体中生存,甚至在氯化钠结晶已经析出情况下仍然生存。我们观察到一些盐藻品系在室外零下20℃以下依然存活。因其特殊的生理特性及富含具有重要医学与营养学价值的各胡萝卜素(件caoretne),对盐藻及其养殖的基础研究和应用研究方兴未艾。
2、植物中合成p一胡萝卜素的一般路线自然界中许多植物的细胞都能合成件胡萝卜素。作为一种与蛋白质结合的辅助色素,胡萝卜素既参与植物光合作用的采光系统也参与其光合反应系统,并保护植物细胞免受强光辐射损伤。植物细胞中合成各胡萝卜素一般路线是:植物细胞中的碳水化合物、蛋白质和脂质代谢后经丙酮酸化合物(pyruvate)形成乙酸辅酶A(Aectyl一CoA)和乙酸乙酸辅酶A(Aec-otacetyl一COA),二者合成为3一经一3一甲一戊二酸单酸辅酶A(HMG一CoA,3一hydroxy一3一methyl-glutaryl一CoA),继而还原为3一甲一3,s一二经戊酸化合物(MVA,Mevalonate)。MVA是植物细胞中普遍存在的类异戊二烯化合物(15。-pernodis)的前体,由MVA形成重要中间体异戊烯二磷酸醋(IDp,Isopentenyldiphosphate),逐步加合为C,。的GDP(Geranyl）diphosphate)、C15的FDP(Farnesyldiphos-phate)、CZ。的GGDP(geranylgeranyldiphos-phate)和C4。的八氢番茄红素(Phytoene)。八氢番茄红素逐步脱氢为六氢番茄红素(Phytofloene)、仁一胡萝卜素、链抱红素(Neu-rosporene)和番茄红素(Lyeopene)。番茄红素逐步环化为羊胡萝卜素、p一胡萝卜素。上述路径中每一步反应都有相应的酶参与。在实验室中用从植物的叶、花及果实中提取的质体(叶绿体)可将异戊烯二磷酸醋(IDP)转化为类胡萝素[1]。
3、在诱导条件下盐藻中卜胡萝卜紊的积累在通常条件下盐藻中件胡萝卜素的含量并不理想。在诱导条件下(高光照、高盐度、底物中缺氮或硫)盐藻细胞中卜胡萝卜素大量积累。前述植物各胡萝卜素生物合成一般路线中有着两个重要的环节:一个是HMG一CoA(3一经一3一甲-戊二酸单酸辅酶A)的合成与还原、另一个是八氢番茄红素(Phytoene)的合成。HMG一CoA的合成与还原需要HMG一CoA合成酶(HMGs,HMG一CoASynthasse)和HMG一CoA还原酶(HMGR,HMG一CoA`国家自然科学基金资助项目第26卷第3期海湖盐与化工Redeutsae)参与。甘油有助于维持HMG一Co还原酶的活性。在高盐度底物中,盐藻为了维持渗透压平衡而合成了大量的甘油。这种渗透压调节机制有利于各胡萝卜素的积累。从对被诱导的盐藻细胞基因的研究推测,其中存在着负责合成HMG一CoA合成酶和HMG一CoA还原酶的编码区l[j。八氢番茄红素是通向类胡萝卜素合成的第一个中间体。从IDP(异戊烯二磷酸醋)经GDP、FDp、GGDP到八氢番茄红素,存在着合成细胞内其他物质的一系列竞争歧径,向八氢番茄红素方向进行有赖于相应的各种酶(通称为胡萝卜素产生酶,earotenogenieenzymes)的活性,特别是与八氢番茄红素合成酶P(hytoeneSynthasse)的活性有关,在高光照、高盐度、底物中缺氮或硫的诱导条件下,盐藻细胞分裂减少,细胞体积增大,细胞中编码胡萝卜素产生酶的基因(ebrgen。,earotenebiosynthesis一relatedgene)被激活,发生新的转录和翻译。在实验室中观察到1[j,每当被诱导的盐藻细胞中卜胡萝卜素积累水平提高时,总是先有cbr基因转录水平的提高和积累。这使胡萝卜素产生酶的活性增加或被重新合成。同时,在此条件下,已合成的件胡萝卜素的降解速率也减低。

4、盐藻养殖要点
据以上分析和已有报道图及我们的经验,在当地的自然光和环境温度条件下,非粗放型盐藻户外养殖有以下几点值得注意:
(1)在养殖的适当时期实行诱导以便增加卜胡萝卜素的积累:为了适当实行诱导,需要分阶段进行养殖。在第一阶段,盐藻在如下的优化条件下快速生长繁殖:
A.富含氮的培养液。
B.保持藻液中适当的生物量,盐藻浓度太高不利于光能和营养的供应,从而降低生长繁殖速率。应保持盐藻生物量低于某一水平(例如0.8×10`ecns/mL)。在生物量高于该水平时,
将藻液泵至另一较大的养殖池中(各养殖池水深相同,例如均为20cm),该养殖池中有预配的富氮培养液。盐藻被稀释。因此对于第一阶段的盐藻养殖来说,要有面积逐渐增大的一系列养殖池(例如从0.3到IOoomZ)供使用。在一段时间内(例如十几天)藻液历经这些池子,并以最快速度生长繁殖和产生叶绿素与民胡萝卜素。所用的泵宜用挤压力和剪切力小的大流量泵。
C.藻液中维持适宜的溶解碳量(例如3mmol)和中性环境(例如pH7一7.6),为此可通人CO:并辅以其它调节手段。第二阶段为诱导盐藻积累件胡萝卜素阶段,采用缺氮的培养液。例如,将第一阶段结束时的藻液泵至3倍大的养殖池中,该养殖池中有预配的缺氮培养液。这样,盐藻和氮都被稀释。经过一段时间(例如几天),池中盐藻生物量有所增加,件胡萝卜素对叶绿素之比显著增加(例如增大一倍),藻液由绿色变为橙色。此时可以采收盐藻。有效的采收设备之一是分离因数大于3500的自动排渣的高速碟片式离心机。
(2)养殖液不宜循环使用:养殖液中有代谢废物,不宜反复循环使用。但养殖液中的盐等有用物经适当处理后大部分可以循环使用。藻液泵出后每个养殖池要立即彻底清洗供再用。
(3)养殖液不宜静止:养殖液长期静止有诸多弊病,会形成不均匀的浓度场和能场,例如氧的局部过浓。解决办法之一是将养殖池建成长圆形沟渠式,以旋转式长桨驱动其慢速循环。