張豪杰 李旺寧 梁夢靜 李亞男 張春輝 季春麗 李潤植 崔玉琳 秦 松 崔紅利

α-酮戊二酸及其鈉鹽對雨生紅球藻生長和蝦青素積累的促進作用*

張豪杰1李旺寧1梁夢靜1李亞男1張春輝1季春麗1李潤植1崔玉琳2秦 松2崔紅利1j

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所 山西太谷 030801; 2. 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所 海岸帶生物學(xué)與生物資源保護重點實驗室 山東煙臺 264003)

雨生紅球藻是已知蝦青素(astaxanthin, AST)含量最高的生物, 是理想的細胞制備工廠。盡管研究表明添加α-酮戊二酸(OG, α-oxoglutarate)能有效促進混養(yǎng)條件下雨生紅球藻AST積累, 但在自養(yǎng)條件下是否也有類似效果不清楚。研究以自養(yǎng)雨生紅球藻為對象, 在正常(CK)、高光(HL)、缺氮(DN)和高光-缺氮雙重逆境(HL-DN)下從細胞生長和AST積累兩方面評估OG及其鈉鹽(OG-2Na)的促進作用。結(jié)果顯示, 添加OG或OG-2Na顯著緩解HL、DN和HL-DN脅迫對細胞生長的抑制作用, 培養(yǎng)至6 d的生物量分別為0.58、0.53和0.38 g/L, 約是未添加組的2.0倍。添加OG或OG-2Na顯著促進AST積累。培養(yǎng)至6 d, 在HL、DN和HL-DN下, AST含量分別達到13.62、19.51和28.29 mg/g, 是未添加組的2.39、1.16和1.35倍。同時在脅迫條件下, 添加OG或OG-2Na有效提高單位細胞中AST含量。針對OG和OG-2Na添加, 最大單位細胞AST含量分別出現(xiàn)在HL和HL-DN條件下, 達到53.72和60.58 pg/cell, 是對照的3.09和2.83倍。在CK下, 添加10.0 mg/L的OG或OG-2Na, 其AST含量顯著高于單獨的脅迫條件。上述結(jié)果證實OG或OG-2Na不但可減少HL、DN和HL-DN脅迫對紅球藻細胞生長的抑制、顯著提高其AST含量, 是一種在提高AST產(chǎn)量的有效途徑。

雨生紅球藻; α-酮戊二酸; 生長; 蝦青素積累; 促進作用

蝦青素(astaxanthin, AST)具有良好的著色效果和重要的生物學(xué)功能, 已被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域(Shah, 2016), 目前市場供不應(yīng)求(Li, 2020)。雨生紅球藻()是一種淡水單細胞綠藻, 是目前已知AST含量最高的物種, 在脅迫條件下AST含量可達細胞干重的4%, 是極為理想的天然AST來源(崔紅利等, 2021)。然而, 雨生紅球藻中AST的積累是一個脅迫誘導(dǎo)的過程, 即生物量積累與AST積累相互矛盾, 這種矛盾已成為利用雨生紅球藻高效生產(chǎn)AST的限制因素(Li, 2020)。因此, 挖掘高效脅迫信號、解析誘導(dǎo)機制并建立兼顧細胞生長與AST積累的調(diào)控技術(shù)是解決上述矛盾的有力措施。

雨生紅球藻中AST的積累受到多種信號因子和多層次水平的調(diào)控(Lee, 2018; Li, 2020)。高光和缺氮能有效促進AST積累。例如, 在同等高光強條件下, 與高自然光相比, 高藍光顯著增加雨生紅球藻AST的積累, 且蝦青素合成相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平的表達顯著提高(Cui, 2013, 2021a, 2021b; Xi, 2016; Ma, 2018), 但高光下具有能耗高和顯著抑制生長等缺點。缺氮也能顯著誘導(dǎo)雨生紅球藻中AST的積累(Cui, 2013, 2021a, 2021b; Zhao, 2020; Ahirwar, 2021), 但是存在培養(yǎng)周期長、易于污染等缺點。因此, 急需開發(fā)新型低能耗、方便快捷及環(huán)境友好型的高效脅迫條件。研究表明, 補充三羧酸循環(huán)中間代謝產(chǎn)物或植物生長調(diào)節(jié)劑耦合高光或缺氮是一種新型誘導(dǎo)體系(Lee, 2016;崔丹丹等, 2018; Lu, 2020; Yu, 2021, 2022)。

α-酮戊二酸(OG, α-oxoglutarate)是三羧酸循環(huán)中的重要中間代謝產(chǎn)物(Foyer, 2003), 同時作為生物體感知碳-氮信號的重要受體, 廣泛參與植物多種代謝(Chen, 2006; Liu, 2013)。此外, 它還能夠顯著促進植物體內(nèi)氨同化相關(guān)酶的活性, 進而改變谷氨酸的積累, 從而適應(yīng)脅迫條件下的生長(Yuan, 2007)。在低水和缺氮的脅迫條件下, 添加外源OG能夠增強小麥幼苗對氮素的同化能力, 進而促進對干物質(zhì)的積累, 最終提高生物量(孫倩等, 2014)。在固氮藍藻中, 添加OG可瞬間造成細胞內(nèi)其濃度的增加, 產(chǎn)生一個缺氮(DN, deficient nitrogen)的假定信號, 從而誘導(dǎo)異形胞的形成與固氮, 最終促進生物量(Zhao, 2010)。從雨生紅球藻的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析來看, OG含量的變化對多種脅迫條件具有不同的響應(yīng)模式, 并推測其與AST的積累有關(guān)(Su, 2014)。在混養(yǎng)條件下, 添加OG能有效促進高碳氮比值(C/N=50)藻細胞內(nèi)AST的積累(Lu, 2019, 2020), 但是對自養(yǎng)條件下的效果尚不清楚。

本研究以自養(yǎng)型雨生紅球藻細胞為對象, 探討在正常(CK, control)、高光(HL, high light)、DN和高光-缺氮雙重逆境(HL-DN)條件下, 添加不同濃度OG及OG-2Na對細胞生長和AST積累的促進作用, 為構(gòu)建高效AST積累的調(diào)控技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 藻種

試驗所用藻株為Flotow 1844購自藻類和原生生物培養(yǎng)中心(英國CCAP藻種庫: https://www.ccap.ac.uk/), 現(xiàn)保存于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所。藻株培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基, 培養(yǎng)條件設(shè)置為溫度(24±1) °C, 光/暗周期12 h/12 h、白天光照強度1 500 lx, 并且每8 h搖晃一次, 防止細胞貼壁。

1.2 實驗設(shè)置

將培養(yǎng)至對數(shù)生長期的雨生紅球藻以5 000 r/min離心5 min, 收集藻細胞, 然后重新懸浮在正常培養(yǎng)基和缺氮培養(yǎng)基中。OG及OG-2Na的濃度設(shè)置為0.1、1.0和10.0 mg/L。缺氮培養(yǎng)基為不添加硝酸鈉的BG11培養(yǎng)基。高光處理的光照強度為16 000 lx。

實驗設(shè)置如下: 未添加外源物組包括CK、DN、HL和HL-DN四組, 其中CK在1 500 lx正常培養(yǎng)基下培養(yǎng)、DN在1 500 lx缺氮培養(yǎng)基下培養(yǎng)、HL在16 000 lx正常培養(yǎng)基下培養(yǎng)和HL-DN在16 000 lx缺氮培養(yǎng)基下培養(yǎng)。添加外源物組包括分別在上述四種條件下添加不同濃度的OG或OG-2Na, 濃度設(shè)置為0.1、1.0和10 mg/L三種。每隔2 d定時取樣用于各項生理指標的測定。

1.3 試驗指標測定

1.3.1 細胞密度(cells/mL)的測定 從每種培養(yǎng)體系中吸取100 μL樣品, 用移液槍將其轉(zhuǎn)移到血球計數(shù)板中, 在光學(xué)顯微鏡下對細胞進行計數(shù), 該顯微鏡連接到裝有Optilab軟件的計算機上。

1.3.2 生物量(g/L)的測定 取5 mL藻液用真空泵抽濾裝置將其抽濾到預(yù)先稱重為0(g)的孔徑為0.45 μm濾膜上, 將濾膜置于烘箱中烘至恒重, 測定最終總干重1(g), 通過細胞干重和藻液體積來確定藻液的生物量濃度0(g/L), 生物量每隔2 d測定一次, 每個處理設(shè)置3次重復(fù)。根據(jù)如下公式計算:0= 1 000(1–0)/5。

1.3.3 蝦青素含量(mg/L)的測定 采用(游泳等, 2011)的蝦青素測定方法, 用二甲基亞砜提取蝦青素, 于490 nm處測定光吸收。根據(jù)如下公式計算: 蝦青素含量(mg/L)=4.5×OD490×稀釋倍數(shù)。

1.3.4 蝦青素含量(mg/g)的計算 根據(jù)如下公式計算: 蝦青素含量(mg/g)=[蝦青素含量(mg/L)/生物量(g/L)]。

1.3.5 單位細胞蝦青素含量(pg/cell)的計算 根據(jù)如下公式計算: 單位細胞蝦青素含量(pg/cell)＝[蝦青素含量(mg/L)/細胞密度(cell/mL)]×109。

1.4 統(tǒng)計分析

各處理組均設(shè)置3個平行樣, 采用excel(2019)和SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析, 采用單因素方差分析法進行顯著性分析(<0.05), 繪圖采用Origin9軟件(OriginLab Corporation, 美國)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加OG及OG-2Na對雨生紅球藻生長的影響

在HL、DN及HL-DN下顯著抑制雨生紅球藻細胞的生長。其中, 培養(yǎng)至第6 d, 在HL、DN及HL-DN脅迫下的生物量分別是0.29、0.27和0.18 g/L, 只有CK組(0.64 g/L)的45.3%、42.2%及28.1% (圖1)。

圖1 在正常、高光、缺氮和高光缺氮下培養(yǎng)對雨生紅球藻生長的影響

在CK下, 盡管在培養(yǎng)初期(2 d), 添加不同濃度的OG (0.1～10 mg/L)能促進藻細胞的生長, 但在后期對生長具有一定抑制作用, 并且與濃度呈正相關(guān), 培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.45、0.51和0.57 g/L, 只有CK組(0.64 g/L)的70.3%、79.7%及89.1% (圖2a)。在DN下, 添加不同濃度的OG均促進藻細胞的生長, 促進效果與OG濃度呈負相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.39、0.43和0.53 g/L, 為DN對照組(0.27 g/L)的1.44、1.59和1.96倍(圖2b)。在HL下, 添加不同濃度的OG均促進藻細胞的生長, 促進效果與濃度不相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.52、0.58和0.58 g/L, 為HL對照組(0.29 g/L)的1.79、2.0和2.0倍(圖2c)。在HL-DN下, 添加不同濃度的OG都能促進藻細胞的生長, 促進效果與濃度不相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.33、0.35和0.36 g/L, 為HL-DN對照組(0.19 g/L)的1.83、1.94和2.0倍(圖2d)。

在CK下, 添加不同濃度的OG-2Na對雨生紅球藻的生長均有抑制作用, 并與濃度呈正相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.38、0.43和0.54 g/L, 只有CK組(0.64 g/L)的59.3%、67.2%及84.4% (圖3a)。在DN下, 添加不同濃度的OG-2Na均促進藻細胞的生長, 促進效果與OG濃度呈負相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.36、0.48和0.49 g/L, 為DN對照組(0.27 g/L)的1.33、1.78和1.81倍(圖3b)。在HL下, 添加不同濃度的OG-2Na均促進藻細胞的生長, 促進效果與濃度不相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.32、0.37和0.47 g/L, 為HL對照組(0.27 g/L)的1.19、1.37和1.74倍(圖3c)。在HL-DN下,添加不同濃度的OG-2Na都能促進藻細胞的生長, 促進效果與濃度不相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終的生物量分別是0.37、0.37和0.38 g/L, 為HL-DN對照組(0.18 g/L)的2.06、2.06和2.11倍(圖3d)。

圖2 在正常、高光、缺氮和高光缺氮添加α-酮戊二酸(OG)對雨生紅球藻生長的影響

圖3 在正常、高光、缺氮和高光缺氮下添加α-酮戊二酸二鈉鹽(OG-2Na)對雨生紅球藻生長的影響

在CK下, 添加外源OG或OG-2Na對細胞的生長有一定的抑制作用且與濃度呈正相關(guān)。在HL、DN和HL-DN脅迫下, 添加OG或OG-2Na對細胞的生長均具有一定的促進作用, 且作用模式與添加濃度呈現(xiàn)一定相關(guān)性(圖4)。

2.2 添加OG及OG-2Na對蝦青素含量的影響

在HL、DN和HL-DN脅迫下都能促進雨生紅球藻AST的積累, 其積累程度為HL-DN>DN>HL>CK。其中, 培養(yǎng)至第6 d, 在HL、DN及HL-DN脅迫下AST含量分別是20.88、16.81和5. mg/g, 為CK組(4.03 mg/g)的5.18、4.17和1.41倍(圖5)。

圖4 在正常、高光、缺氮和高光缺氮下添加α-酮戊二酸(OG)或α-酮戊二酸二鈉鹽(OG-2Na)對雨生紅球藻生長的影響

圖5 在正常、高光、缺氮和高光缺氮條件下對蝦青素含量的影響

在CK下, 添加不同濃度OG都能促進雨生紅球AST的含量, 與濃度呈正相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是5.75、6.42和11.02 mg/g, 為CK組(4.03 mg/g)的1.43、1.59和2.73倍(圖6a)。在HL下, 不同濃度的OG也能促進AST的含量, 且與濃度劑量不相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是9.41、9.92和13.62 mg/g, 為HL對照組(5.69 mg/g)的1.65、1.74和2.39倍(圖6b)。在DN下, 不同濃度的OG在第2 d均促進AST的含量, 但在最后一天的促進效果不顯著。但在此過程中AST積累速率的提高。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是17.48、18.58和19.44 mg/g, 為DN對照組(16.81 mg/g)的1.04、1.10和1.16倍(圖6c)。在HL-DN下, 不同濃度的OG不僅促進AST的積累同時加快其積累的速率。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是24.72、25.86和26.08 mg/g, 為HL-DN對照組(20.88 mg/g)的1.18、1.24和1.25倍(圖6d)。

注: 綠色到紅色指的是蝦青素積累的過程

在CK下, 低濃度的OG-2Na對雨生紅球藻AST的含量沒有顯著影響, 但高濃度促進雨生紅球AST的含量。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是3.51、3.69和7.11 mg/g, 只有CK組(4.03 mg/g)的87.1%、91.6%及176.4%(圖7a)。在HL下, 不同濃度的OG-2Na能促進AST的含量, 且與濃度劑量不相關(guān)。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是7.49、9.90和11.40 mg/g, 為HL對照組(5.69 mg/g)的1.32、1.74和2.0倍(圖7b)。在DN下, 不同濃度的OG-2Na盡管在培養(yǎng)初期(2 d)均促進AST的含量, 但是對最終的含量促進作用不顯著。但在此過程中AST積累的速率提高。培養(yǎng)至6 d, 最終AST的含量分別是15.25、18.78和19.51 mg/g, 為DN對照組(16.81 mg/g)的90.7%、111.7%及116.1% (圖7c)。在HL-DN下, 不同濃度OG-2Na不僅促進AST的積累同時加快其積累的速率。培養(yǎng)至6 d, 最終蝦青素的含量分別是24.28、25.98和28.29 mg/g, 為HL-DN對照組(20.88 mg/g)的1.16、1.24和1.35倍(圖7d)。

在CK下, 添加不同濃度的OG或OG-2Na, 其濃度在10 mg/L時促進AST積累效果顯著, 其他濃度下促進效果不顯著; 在HL、DN和HL-DN脅迫下, 添加OG或OG-2Na對細胞中AST的含量均具有一定的促進作用, 且促進效應(yīng)在HL條件中最顯著(圖8)。

2.3 添加OG及OG-2Na對單位細胞AST含量的影響

在CK下, 低濃度的OG對單位細胞AST的含量影響不大, 但在高濃度10 mg/L時顯著促進AST的含量, 達到44.86 pg/cell是相同條件下對照組的2.69倍。

在HL下, 不同濃度OG都能提升單位細胞AST的含量, 10 mg/L濃度時單位細胞AST的含量達到最大, 為53.72 pg/cell是相同條件下對照組的3.09倍; 在DN下, 不同濃度的OG都能提升單位細胞AST的含量, 但與濃度呈負相關(guān)。0.1 mg/L濃度時單位細胞AST的含量達到最大, 為39.98 pg/cell是相同條件下對照組的1.89倍; 在HL-DN下, 加入不同濃度的OG都能提升單位細胞AST的含量且與濃度呈正相關(guān), 10 mg/L濃度時單位細胞AST的含量最大, 為43.30 pg/cell是相同條件下處理的2.23倍。綜上所述, 在不同的脅迫條件下, 不同濃度的OG對單位細胞AST含量的提高具有不同的效果(圖9)。

(注: 綠色到紅色指的是蝦青素積累的過程)

(Note: Green to red refers to the accumulation of astaxanthin)

圖8 在正常、高光、缺氮和高光缺氮條件下添加α-酮戊二酸(OG)或α-酮戊二酸二鈉鹽(OG-2Na)對蝦青素含量的影響

在CK下, 低濃度的OG-2Na抑制了單位細胞AST的含量, 但在高濃度10 mg/L時顯著提高AST的含量, 達到31.38 pg/cell是相同條件下對照組的1.88倍; 在HL下, 不同濃度的OG-2Na都能提升單位細胞AST的含量且與濃度呈正相關(guān), 10 mg/L濃度時單位細胞AST的含量最大, 為55.56 pg/cell是相同條件下處理的2.66倍; 在DN下, 不同濃度的OG-2Na都能提升AST的產(chǎn)量, 但與濃度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢, 1 mg/L濃度時單位細胞AST的含量達到最大, 為44.37 pg/cell是相同條件下對照組的2.11倍; 在HL-DN下, 加入不同濃度的OG-2Na都能提升單位細胞AST的含量且與濃度呈正相關(guān), 10 mg/L濃度時單位細胞AST的含量達到最大, 為60.58 pg/cell是相同條件下對照組的2.83倍。綜上所述, 在不同的脅迫條件下, 不同濃度的OG-2Na對單位細胞AST含量的提高具有不同的效果(圖10)。

圖9 在正常、高光、缺氮和高光缺氮條件下添加α-酮戊二酸(OG)對雨生紅球藻單位細胞蝦青素含量的影響

圖10 在正常、高光、缺氮和高光缺氮條件下添加α-酮戊二酸二鈉鹽(OG-2Na)對雨生紅球藻單位細胞蝦青素含量的影響

3 討論

挖掘高效脅迫信號、解析誘導(dǎo)機制并建立兼顧細胞生長與AST積累的調(diào)控技術(shù)解決利用雨生紅球藻制備蝦青素限制因素的有力措施。與HL或DN等脅迫條件存在的能耗高與顯著抑制藻細胞生長等缺點相比。研究表明, 通過添加三羧酸循環(huán)中的重要中間代謝產(chǎn)物或植物生長調(diào)節(jié)劑(Lee, 2016;崔丹丹等, 2018; Lu, 2020; Yu, 2021, 2022)。不僅增強HL或DN的誘導(dǎo)效應(yīng), 而且有效緩解上述脅迫條件對雨生紅球藻生長的抑制作用, 并顯著提高AST的含量。之前研究證實, 雨生紅球藻中OG含量的變化對多種脅迫具有不同的響應(yīng)模式, 暗示其參與AST的積累(Su, 2014)。在混養(yǎng)條件下, 添加OG能有效促進藻細胞AST的積累(Lu, 2019, 2020), 但是在自養(yǎng)條件的效果不清楚。本研究揭示了自養(yǎng)條件下添加OG及其OG-2Na對紅球藻生長和蝦青素積累的促進作用。

從藻細胞的生長來看, 在脅迫條件下, 通過添加OG和OG-2Na均可顯著緩解脅迫條件對細胞的生長抑制作用(圖4)。這個結(jié)果與之前研究基本一致, 在HL下, 通過添加62.5 mg/L的花生四烯酸或0.16%的CO2顯著能促進藻細胞的生物量(王麗麗等, 2010; 葉鑫等, 2021)。從雨生紅球藻的AST含量情況來看, 在CK條件下, 通過添加高濃度的OG和OG-2Na均可顯著提高AST的含量, 甚至可達到HL條件下的效果(圖8)。這個結(jié)果與之前研究基本一致, 在HL下, 通過添加0.05 mg/L的玉米素或1 mmol/L的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸均能促進藻細胞蝦青素的含量(Lee, 2016; 崔丹丹等, 2018)。

在脅迫條件下, 添加OG和OG-2Na對AST含量的提高效應(yīng)與脅迫條件和濃度均相關(guān), 本實驗中效果最顯著的是在HL條件下。研究表明, 在高光脅迫下培養(yǎng)至7天, 向培養(yǎng)基中添加0.6 mmol/L檸檬酸三鈉蝦青素產(chǎn)量增加了11.9% (Du, 2021)。在DN和HL-DN條件盡管對最終的AST含量影響不大, 但是顯著增強了AST積累的速率?？赡艿脑蚴潜旧鞤N和HL-DN脅迫條件已經(jīng)能充分誘導(dǎo)雨生紅球藻中AST含量的提升。這與之前的研究結(jié)果不完全一致, 例如, 添加延胡索酸和DN耦合策略顯著加速了蝦青素的合成, 10 mmol/L延胡索酸在第7天和第12天分別使細胞蝦青素含量增加了1.75和1.47倍(Yu, 2021)。添加草酰乙酸和DN耦合策略促進雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素, 10 mmol/L草酰乙酸在第7天使細胞蝦青素含量提高了約7.18倍(Yu, 2022)。在HL-DN條件下, 通過添加45 mmol/L乙酸鈉能夠顯著提高蝦青素的含量(Huang, 2006)。添加中間代謝產(chǎn)物對雨生紅球藻蝦青素積累的促進作用與脅迫條件和使用濃度密切相關(guān)。

雨生紅球藻中AST含量不但與藻細胞生物量相關(guān), 而且與單位細胞中AST的積累也密切相關(guān)。在CK條件下, 通過添加高濃度的OG和OG-2Na均可顯著提高單細胞中AST的含量, 甚至可達到傳統(tǒng)脅迫條件下的效果(圖9和圖10)。這些結(jié)果暗示在CK條件下通過添加OG和OG-2Na是一種簡單高效且低能耗的高效誘導(dǎo)AST積累的技術(shù)。在HL條件下, 通過添加10 mg/L的OG和OG-2Na對單位細胞AST的含量提升具有顯著效果。前人研究表明, 在HL條件, 添加0.6 mmol/L檸檬酸三鈉或10 mg/LOG-2Na均能顯著提高單位細胞AST含量(Lu, 2020; Du, 2021)。

4 結(jié)論

本研究揭示了添加OG或OG-2Na對雨生紅球藻生長和蝦青素積累的促進作用。添加OG或OG-2Na不但可以緩解脅迫條件對細胞生長的抑制作用, 而且顯著提高AST含量。在正常條件下, 通過添加10.0 mg/L的OG或OG-2Na也能顯著提高AST的含量, 這是一種低能耗與高效誘導(dǎo)的方式。

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PROMOTING EFFECTS OF Α-KETOGLUTARATE AND ITS SODIUM SALT ON GROWTH AND ASTAXANTHIN ACCUMULATION IN

ZHANG Hao-Jie1, LI Wang-Ning1, LIANG Meng-Jing1, LI Ya-Nan1, ZHANG Chun-Hui1, JI Chun-Li1, LI Run-Zhi1, CUI Yu-Lin2, QIN Song2, CUI Hong-Li1

(1. College of Agriculture, Institute of Molecular Agriculture and Bioenergy, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. Key Laboratory of Coastal Biology and Biological Resources Utilization, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

has been considered an ideal cell factory for astaxanthin (AST) production. Although it has been reported that adding α-ketoglutaric acid (OG) can effectively promote AST accumulation in algal cells under mixotrophic condition, its effect on autotrophic cells is unclear. Therefore, autotrophiccells were cultured under normal (CK, control), high light (HL), deficient nitrogen (DN) and high-light- deficient-nitrogen (HL-DN) conditions. The effects of different concentrations of OG and its disodium salt (OG-2Na) on growth and AST content were evaluated. Results show that compared to CK, the addition of OG or OG-2Na could significantly enhance the growth of algal cells under HL, DN, and HL-DN stresses. After 6 days of culture, the maximum biomass content under HL, DN, and HL-DN stresses was 0.58, 0.53, and 0.38 g/L, respectively, which were approximate 2.0 times that of the group without addition under the same conditions. Interestingly, the AST accumulation was significantly promoted by adding OG or OG-2Na under stress conditions. After 6 days of culture, the maximum AST contents under HL, DN and HL-DN stresses were 13.62, 19.51, and 28.29 mg/g, respectively, which were 2.39, 1.16, and 1.35 times of those in the non-supplemented group under the same conditions. Under stress conditions, the AST content per cell was significantly increased by adding OG or OG-2Na. For OG and OG-2Na supplementation, the highest AST content per cell reached 53.72 and 60.58 pg/cell under HL and HL-DN conditions, respectively, which were 3.09 and 2.83 times of those without supplementation under the same condition. It is worth noting that AST content under CK condition with 10.0 mg/L OG or OG-2Na addition was significantly higher than that under the same stresses without supplement. Therefore, the addition of OG or OG-2Na could not only significantly relieve the inhibition of HL, DN, or HL-DN stress condition on the growth of algal cells, but also significantly increase AST content. This study provided a new way to increase AST production under normal conditions in.

; α-Ketoglutarate; growth; astaxanthin accumulation; promoting effect

Q945

10.11693/hyhz20220400090

*國家自然科學(xué)基金, 31902394號, 41876188號; 山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新基金, 2021L119號; 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金, 2018YJ16號; 山西省優(yōu)秀博士來晉工作獎勵基金, SXYBKY2019036號; 山西農(nóng)谷建設(shè)科研專項基金, SXNGJSKYZX201906號。張豪杰, 碩士研究生, E-mail: m15713969552@163.com

崔紅利, 碩士生導(dǎo)師, 副教授, E-mail: cuihongli@sxau.edu.cn

2022-04-06,

2022-06-01