全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 3期·综述与专论·
收稿日期：2008-08-27
基金项目：青岛科技大学博士启动基金
作者简介：苏忠亮（1975-），男，博士，主要从事藻类基因工程研究工作；E-mail：suzhongliang@qust.edu.cn
雨生红球藻是一种淡水绿藻，在逆境下能够大
量合成具有极高抗氧化活性的虾青素 [1，2]。 但虾青
素的大量积累总是发生在不适合雨生红球藻生长
的环境条件下 [3]，从而导致虾青素的产量过低。 为
了解决这一矛盾，近年来人们对雨生红球藻对逆境
的抵抗机制进行了大量研究。研究发现雨生红球藻
对于环境胁迫，如高温 ，低碳氮比，高光等，主要通
过两种机制来防御，即早期机制和长期机制。 早期
机制主要是指在受到环境胁迫后，细胞中虾青素含
量达到最大值前的一段时间内，雨生红球藻主要通
过调整一些酶类的表达量来使细胞度过难关。当受
到较长时间环境胁迫时，雨生红球藻则主要是通过
产生虾青素等措施来对细胞进行保护 [4，5]。 早期机
制和长期机制并不是截然无关的，因为雨生红球藻
的早期防御机制也有少量的虾青素在起作用，在长
期机制中，一些与抗逆有关的酶也在起作用。 越来
越多的证据表明，不管是早期防御机制还是长期防
御机制， 都是由于雨生红球藻受到环境胁迫后，细
胞内产生活性氧的缘故 [6]。
1 环境胁迫的防御机制
1.1 早期机制
雨生红球藻在受到环境胁迫的早期阶段，细胞
中的一些酶类 ， 如过氧化氢酶 ， 超氧化物歧化酶
（SOD），热休克蛋白等的表达量会升高 ；一些低分
子量的抗氧化物质 ，如抗坏血酸 ，谷光苷肽 ，胡萝
卜，生育酚等在细胞中的含量上升，使细胞能够抵
御不良环境。 同时，雨生红球藻细胞还会将一些酶
的表达量下调，以期进一步缩小由于受到胁迫而产
雨生红球藻对环境胁迫的分子防御机制
苏忠亮 程江峰 梁成伟 张媛媛 刘杰
（青岛科技大学化工学院，青岛 266042）
摘 要： 虾青素是一种具有极强的生物抗氧化性的类胡萝卜素，在医药，食品等方面均有广阔的应用。雨生红球藻
在逆境下能够大量积累虾青素，已成为目前研究的热点。从雨生红球藻生存的角度来看，虾青素的积累是细胞对逆境防
御的方法之一。除此之外，雨生红球藻还通过调整相关酶的表达类来使细胞度过难关。主要综述了雨生红球藻对环境胁
迫防御的两种分子机制，即早期机制和长期机制。
关键词： 雨生红球藻 胁迫 分子防御
Molecular Defense Mechanism of Haematococcus pluvialis
Against Environment Stress
Su Zhongliang Cheng Jiangfeng Liang Chengwei Zhang Yuanyuan Liu Jie
（College of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042）
Abstract： Astaxanthin is a sort of ketocarotenoid with strong biological antioxidant activities，which has been used
widely in pharmaceutical and food industries. Haematococcus pluvialis has become one of the hotness research area on
microalgae studies because it can accumulate astaxanthin as a defense measurement in stress culture situations. Besides
defense measurements，Haematococcus pluvialis can also protect itself against enviroment stress by regulating some genes
expression. In this paper，two molecular defense measurements involoed in stress conditions including primary and
secondary-defense strategies were reviewed.
Key words： Haematococcus pluvialis Environment stress Molecular defense
2009年第 3期
生的对藻细胞的破坏作用。早期防御机制主要发生
在雨生红球藻从受到胁迫到转变为不动藻细胞阶
段，在这段时间内，虾青素在细胞内虾青素的积累
逐渐达到最大值。
Eom 等 [7]利用基因芯片的方法研究雨生红球藻
受到胁迫后，相关基因转录水平的变化。 光合作用
相关蛋白基因， 如叶绿素 a/b 结合蛋白基因，1，5-
二磷酸核酮糖羧化酶小亚基基因，LHCII（PSII 核心
复合物）编码基因的转录水平发生了下调；Mn-SOD
基因的转录也发生了下调；而有些酶类的编码基因
的转录水平发生了上调，如抗逆基因和信号转导基
因，过氧化氢酶基因，肉桂醇脱氢酶基因等。研究结
果说明，在建立起长期的抗逆分子机制之前 ，多酶
抗逆反应对于雨生红球藻细胞抵御不良环境起了
关键的作用。 Hershkovits 等 [8]的研究表明，在雨生红
球藻受到环境胁迫后，藻细胞会大量转录一种 htrA
基因 （热休克丝氨酸蛋白酶家族中的一员）。 表明
htrA 对于藻细胞抵御不良环境起了重要的作用。
此外，雨生红球藻在高光和氮饥饿的胁迫条件
下，不动细胞内会产生分子量大约在 38 kD，50 kD，
62 kD 和 63 kD 的蛋白， 这些蛋白具有抵抗蛋白水
解酶消化的抗性和极高的热稳定性 。 体外研究发
现，这些蛋白质能够很好的防止蛋白水解酶对辣根
过氧化酶的水解作用。 由此推测，这些蛋白可能是
蛋白水解酶的抑制剂，从而在逆境中更好地稳定细
胞蛋白，使细胞度过难关 [9]。
Wang 等 [5]通过 2D 凝胶电泳及蛋白质序列分析
方法发现在细胞受到胁迫（乙酸盐、二价铁离子、强
光照）后，热休克蛋白 ，异戊烯焦磷酸同分异构酶，
过氧化氢酶，过氧化物酶，微管蛋白的 2 个亚基等
蛋白在细胞中的含量显著上升；叶绿体细胞色素 C
氧化酶为延迟上调的蛋白， 即胁迫 24 h 后开始上
升 ，48 h 后浓度达到最大；ATP 合成酶的 β 亚基的
含量在叶绿体中一直在下降，但在线粒体中该酶的
含量在 48 h 达到了最高水平；Cu/ZnSOD 在游动细
胞中含量较低，但在胁迫条件下，其含量在 48 h 达
到了最高。与此同时，有些酶的含量发生了下调，例
如 RuBP 羧化酶大亚，谷氨酸合成酶等。
总之，受到环境胁迫后 ，红球藻细胞一方面产
生了大量清除活性氧的酶类，如 SOD、过氧化氢酶
等 ；另一方面 ，细胞还产生 htrA 等热休克蛋白 ，以
便使失活的蛋白重新获得活性。叶绿体是光合细胞
中产生活性氧的主要部位，在受到胁迫时 ，光合传
递链中的成分的合成受到抑制，可能是细胞为了减
少活性氧的产生。而对于氮素同化相关酶的含量下
降，其原因可能是在氮素利用过程中会产生 NO，在
细胞中 NO 可以与氧自由基结合，生成一种氧化性
更高的物质，该物质对细胞的破坏作用更大。
1.2 长期机制
在雨生红球藻较长时间受到环境胁迫时，细胞
内产生一种抵御不良环境的长期分子机制——产
生虾青素，同时伴随着细胞结构和形态变化。 目前
雨生红球藻细胞中虾青素的合成途径已经基本被
阐明，并克隆了虾青素合成途径中关键酶基因 [10~13]。
长期环境胁迫下，虾青素合成相关的酶被大量表达
和激活，从而促进了细胞中虾青素的合成 [14~16]。 虾
青素具有极高的抗氧化活性，可以有效地清除由于
环境胁迫而在细胞内产生的活性氧 [6]，从而保护了
藻细胞免受逆境的危害。虾青素的积累量一般在胁
迫 6~12 d 达到最大 [5]。
1.2.1 虾青素在雨生红球藻中的合成途径 雨生
红球藻中虾青素的合成途径主要分为两个阶段：第
一阶段是 β-胡萝卜素的形成， 第二阶段是虾青素
的合成 [14]（图 1）。
虾青素合成的第一步是在 IPP 合成酶的催化
下， 甘油醛-3-磷酸和丙酮酸缩合而成异戊烯焦磷
图 1 雨生红球藻中虾青素的合成途径
苏忠亮等：雨生红球藻对环境胁迫的分子防御机制 43
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
酸 （IPP），该反应被认为是雨生红球藻中虾青素合
成的一个限速步骤；第二步是 IPP 转化为二甲基丙
烯焦磷酸 （DMAPP），由 IPP 异构酶催化 ；第三步是
3 分子的 DMAPP 和 1 分子的 IPP 经 3 步缩合反应
形成 20 碳的 GGPP（牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸）；β-
胡萝卜素合成的第四步是 GGPP 在八氢番茄红素
合成酶（PSY）的作用下转变为八氢番茄红素，八氢
番茄红素在八氢番茄红素去饱和酶和和 ζ-胡萝卜
素去饱和酶的作用下， 经 4 步脱氢生成番茄红素，
在番茄红素 β-环化酶的作用下， 番茄红素环化为
β-胡萝卜素；β-胡萝卜素在羟化酶和酮化酶的作用
下 ，首先形成海胆酮 ，然后再鸡油菌黄质 ，最后经
4，4-二羟基-3-酮基-β-胡萝卜素最终形成虾青素 [15]。
1.2.2 雨生红球藻中虾青素的积累 雨生红球藻
主要是在高光、高温、氮缺乏和异养等逆境下积累
虾青素的。 在较长时间的逆境胁迫下，红球藻细胞
主要是通过上述与虾青素合成相关酶基因的转录
水平的提高和激活一些相关酶类来促进虾青素的
合成的 [14，16，17]。
Vidhyavathi 等 [16]将已经形成红色不动细胞的雨
生红球藻从不适培养基转移到最佳培养基中，细胞
中 PSY （八氢番茄红素合成酶）、PDS （八氢番茄红
素脱氢酶）、LCY（番茄红素环化酶）、BKT（beta 胡萝
卜素酮化酶 ）、CHY（beta 胡萝卜素羟化酶 ）等与虾
青素含成相关的酶基因的转录水平在 0 d， 第 1 d
最高，以后逐渐下降；在第 7 d 时，上述所有基因的
转录水平变成了与绿色泳动细胞差不多的水平。从
而从反面证实了不动细胞中虾青素的积累确实是
虾青素合成相关酶基因的转录水平提高的结果 [16]。
Steinbrenner 和 Linden[14]研究发现，在中光照的条件
下，伴随着虾青素在细胞中的积累，与虾青素合成
相关的的基因，包括八氢番茄合成酶基因 、八氢番
茄脱氢酶基因、番茄红素环化酶基因和胡萝卜素羟
化酶基因的转录水平都大大提高了；在光照 12~24
h，mRNA 水平达到最高，然后逐渐降低。 说明酶蛋
白含量的提高是由于酶基因转隶水平提高的结果。
除了虾青素合成相关酶基因的转隶水平提高外，β-
胡萝卜素酮化酶基因在强光胁迫下，mRNA 的含量
并没有提高，但细胞中酶蛋白的含量却随着光强度
的升高而升高 [14]。
由此可见，雨生红球藻细胞中虾青素的积累主
要是由于相关酶基因转录水平提高和蛋白含量增
加的结果。 对于胁迫条件是如何促进基因转录的，
Steinbrenner 和 Linden [14]通过光合电子传递链的抑
制剂试验说明，光合电子传递链中成分的氧化还原
状态在胡萝卜素合成酶相关基因的转录中可能起
了一个信号者的作用。另外一种信号物质感受到了
光合电子传递链成分氧化还原状态的改变，然后激
活了细胞核中胡萝卜素合成相关基因的转录，但该
信号物质至今也没有发现。事实上，在绿藻、蓝藻和
高等植物中已经发现光合电子传递链中成分的氧
化还原状态可以调控与光合作用相关的核及叶绿
体基因及其它基因的转录，及光合相关蛋白的翻译
后的修饰及加工。强光同时促使细胞产生过多的活
性氧，由于活性氧主要是在翻译后起作用，因而导
致细胞中更多的 β-胡萝卜素酮化酶被激活， 进一
步促进虾青素的积累 [17~22]。
1.2.3 虾青素对雨生红球藻细胞的保护作用 虾
青素是一种极强的抗氧化剂，可以有效的消除各种
活性氧，其清除活性氧的能力比其它的类胡萝卜素
高 14 倍，比维生素 E 高 550 倍 [1，21]。因此，人们认为
可能是由于虾青素大量清除了细胞中的活性氧，从
而有效的使细胞抵御不良环境， 使细胞度过难关。
Kobayashi 等 [4，6，21]利用 u.v-B 处理虾青素含量较少
的不动细胞和虾青素含量丰富的不动细胞。后者对
u.v-B 的耐受能力是前者的 6 倍， 并且细胞中虾青
素的含量减少了 50％。利用虾青素合成的抑制剂减
少细胞中虾青素的合成后，细胞对 u.v-B 的耐受力
减少了 30％~50％。 由于虾青素不能有效的吸收紫
外线，因此认为可能是虾青素灭活了活性氧 ，从而
对细胞起了保护作用 [21]。
综上所述，当雨生红球藻细胞处于较长时间的
逆境胁迫时， 雨生红球藻产生了两方面的防御机
制，包括产生具有抗逆作用的酶类和具有抗氧化作
用的虾青素，并伴随着细胞形态的变化，从而使雨
生红球藻渡过难关而继续生存下去。
2 问题与展望
目前，由于虾青素超强的抗氧化活性 ，抗肿瘤
活性，提高动物免疫力等生物活性而引起人们的兴
趣 [2，24]，雨生红球藻是天然虾青素含量最丰富的生
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2009年第 3期
物。但雨生红球藻中虾青素的积累总是发生在不利
于藻细胞增值的培养条件下。雨生红球藻对环境胁
迫的如何应答，特别是环境胁迫导致虾青素积累的
信号转导途径必将成为今后的研究重点。
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