1、毕业论文文献综述生物技术诱导子对雨生红球藻虾青素含量的影响及其分子机理的研究进展摘要虾青素是雨生红球藻细胞内的一种次生代谢产物,具有较高的经济价值。本文主要介绍了雨生红球藻、虾青素的生物学功能以及虾青素在雨生红球藻内积累的分子机理。介绍三种不同诱导子对次生代谢产物的积累的影响。关键词雨生红球藻;虾青素;诱导子1前言雨生红球藻HAEMATOCOCCUSPLUVIALIS是一种单细胞绿藻,属绿藻门、团藻目、红球藻科、红球藻属,能生产一种红色的天然类胡萝卜素虾青素(ASTAXANTHIN)。虾青素是一种优质、高效、安全的着色剂和天然抗氧化剂,能提高动物的免疫力和存活率,增加动物产品的营养价值和色泽外
2、观1,2。对人体绝对安全,不仅可以用作水产养殖的饲料添加剂、人的食品添加剂,在药品、化妆品和高级营养保健品等领域也有非常大的应用潜力3,4。目前国际市场供货能力有限,远远不能满足需求,仅合成品价格就高于3000美元/KG,因此,采用各种途径提高雨生红球藻虾青素含量一直是国内外研究的热点。雨生红球藻HAEMATOCOCCUSPLUVIALIS是一种淡水单细胞绿藻,在分类学上属于绿藻门CHLOROPHATA、绿藻纲CHLOROPHYCEAE、团藻目VOLVOCALES、红球藻科HAEMATOCOCCACEAE、红球藻属HAEMATOCOCCUS。细胞为广卵形到广椭圆形,宽1951M,长2863M,
3、其大小与细胞阶段有关。与其他绿藻细胞一样具有色素体和蛋白核,光和色素成分包括叶绿素A、叶绿素B、叶黄素和类胡萝卜素。雨生红球藻具有特殊的生物学性质,其生活周期中主要有两种细胞类型,即进行营养生长的绿色游动细胞和累积虾青素的红色不动孢子。在有利的生长条件下,它以绿色的游动细胞存在,具有2条顶生、等长、约等于体长的鞭毛;而在不利的环境下,细胞生长趋于缓慢,由游动细胞转化为不动孢子,同时大量累积虾青素而使细胞呈现出红色5。它是自然界中天然虾青素含量最高的生物,虾青素的积累量可高达细胞干重的4,是其他生物虾青素合成积累量的一到几个数量级。2虾青素虾青素属于四萜衍生物,在细胞质体中合成,在质体中,新近研
4、究证实了一条独立于细胞质甲羟戊酸MVA途径的萜类合成的新途径,即2C甲基D赤藻糖醇4磷酸(MEP)途径,植物中单萜、二萜和少数倍半萜都由这条途径合成。1脱氧D木酮糖5磷酸合成酶1DEOXYDXYLULOSE5PHOSPHATESYNTHASE,DXS是MEP途径的第一个酶,也是第一个关键酶6。超量表达DXS基因可提高単萜化合物、类胡萝卜素、萜类化合物和萜类吲哚生物碱的含量79。目前,王丽丽等采用首次从雨生红球藻中克隆了DXS基因核心片段10,但MEJA对雨生红球藻虾青素合成基因DXS表达的影响还未见报道。21虾青素的生物学功能211抗氧化作用虾青素的分子结构具有比较活泼的电子效应,能向自由基提
5、供电子或吸引自由基的未配对电子,通过吸收自由基多余的能量到分子链中,导致分子降解,阻止其它分子或组织受破坏,同时还可阻止富含脂质的膜迅速降解。可见,虾青素的结构特点使其极易与自由基发生反应而清除自由基,从而起到抗氧化作用。1213LEE等14比较了共轭双键数不同的叶黄素、玉米黄质、番茄红素、异玉米黄素和虾青素5种类胡萝卜素及其衍生物在豆油光氧化作用中淬灭活性氧的作用,发现此作用随共轭双键的增加而增加,并以虾青素的作用为最强。MIKI15以含亚铁离子的血红素蛋白作为自由基产生者,亚油酸为接受者,用硫代巴比妥酸法检测各受试类胡萝卜素、维生素E等的抗氧化性,结果表明虾青素抗脂肪氧化能力最强,比胡萝卜
6、素高10倍,比维生素E高100倍,故又称“超级维生素E”。虾青素还可解除光诱导产生的氧化胁迫,可保护机体免受UVA等带来的伤害1617。212增强机体免疫力此外,虾青素能显著提高动物的免疫能力。小鼠活体实验表明,与叶黄素和类胡萝卜素比较,虾青素能显著促进小鼠在胸腺依赖抗原(TDAG)刺激时产生IGM和IGG。此外,虾青素增强小鼠释放白细胞介素I和肿瘤坏死因子的作用比胡萝卜素和角黄质强得多。有抗原存在时,虾青素也能显著促进脾细胞产生抗体,增强T细胞刺激下人体内白细胞免疫球蛋白的产生1819。裴凌鹏20利用小鼠移植性肿瘤实验观察虾青素对其体内肿瘤细胞生长和免疫器官胸腺、脾脏的影响,并通过ANAE法
7、检测虾青素对T细胞阳性率的影响。结果表明,虾青素对S180肉瘤生长有一定抑制作用,各剂量组均可以提高免疫器官脏器指数,与模型组比具有显著性差异P001;能够提高S180荷瘤小鼠T淋巴细胞的百分数,可见虾青素具有抗肿瘤和增强免疫功能的作用。213抗癌作用NISHINO21研究了天然类胡萝卜素的抗癌作用,发现虾青素具有很强的抗癌作用。TANAKA等22研究了虾青素对由一种亚硝胺所引起的雄性ICR老鼠的膀胱癌和由一种硝基喹啉氧化物所引起的雄性F344老鼠的口腔癌的化学预防作用后发现,对于膀胱癌和口腔癌的发生,虾青素是一种潜在的化学预防剂,并提出虾青素的这种作用可能是由于对细胞繁殖的抑制作用所引起的。
8、214着色作用大量试验表明,在水产动物饵料中添加适量的着色剂可改善其皮肤和肌肉的颜色,提高观赏鱼类的观赏性,提高商品鱼、虾等的商品价值。早在1980年,JOHNSON等23就将红法夫酵母加入鲑鱼、鳟鱼、鲟鱼的饲料中,使它们的体色变得鲜艳。YAMADA24比较了胡萝卜素、角黄素和虾青素等3种类胡萝卜素对对虾的着色效果,结果表明同样以100106M/M浓度饲料添加量喂食对虾,虾青素在其组织中积累量最高,分别比角黄素和胡萝卜素高23和43;若虾青素使用量增至200106M/M,则组织中含量最高可达291106M/M,证明虾青素是着色效果最好的类胡萝卜素。另外,虾青素作为一种着色剂加到禽畜饲料中,可使
9、蛋鸡的颜色加深、营养提高,从而增强市场竞争力。22虾青素积累的分子机制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。2526STEINBRENNER和LINDEN25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PSY、PDS、LCYB和CRTRB的转录水平都大大提高了;在光照1224H,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录水平提高的结果。除了虾青素合成相关酶基因的转录水平提高
10、外,BKT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。GRUNEWALD等27的实验中也观察到,在胁迫条件下虾青素合成酶基因PDS和CRTO的基因转录水平均上调。在施加强光和氮缺失的诱导条件后15D,CRTOMRNA的含量在单个细胞中持续上升,4D后达到最高水平;与此同时,细胞内类胡萝卜素的含量也在同步上升。在诱导条件下,PDS的MRNA转录量也呈线性上升,4D后达到最大值,随后缓慢下降。这说明,胁迫条件下,虾青素的合成也是受PDS和CRTO酶基因的转录调控的。用脱落酸ABA和氮饥饿加高光诱导雨生红球藻,研究在胁迫条件下虾青素在细胞内积累的变化以及虾青
11、素合成基因的表达模式。半定量RTPCR结果表明,PSY和PDS在诱导一段时间内MRNA水平逐渐升高,即使在诱导后期,MRNA也保持在较高水平,BKT和CRTRB在诱导一段时间后,其MRNA水平升高后又略有下降。29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。对于胁迫条件如何促进基因转录的,STEINBRENNER和LINDEN25通过不同的电子传递链抑制剂的作用发现LCYB以及PSY、PDS和CRTZ在环境胁迫下的上调表达受细胞光合氧化还原状态控制,信号物质为电子传递链中的质体醌。3诱导子在植物组织培养中,诱导子能诱导生物碱、萜类、皂苷、黄酮类化
12、合物、酚类、香豆素等多种次生代谢产物的合成及其产量的提高。它们能作为一种特定的生化信号,快速、专一和有选择地诱导特定基因的表达,从而调节植物细胞次生代谢产物的合成,这为研究植物次生代谢调控提供了新思路。利用诱导子处理植物组织培养物以提高次生代谢产物的含量已成为人们普遍重视的新方法。31诱导子的作用机理诱导子引起了植物代谢过程的一系列变化,最终使植物产生防卫反应,如积累植保素。实质上这是一个连续的、信号逐级传导的过程。而每次传导都可产生相应的生化反应,从而发挥相应的生理功能,完成特定的生物学效应。诱导子作为外界信号要被细胞识别,首先是通过诱导子与细胞膜上受体的结合来实现的,这一过程会引起膜成分的
13、变化以致引起膜的通透性、膜内离子分布的变化。诱导子作为外界信号作用胞质膜而引起膜上发生变化,到引起胞内基因启动、酶活性改变的过程应该是一个级联过程,这中间需要有物质充当胞内信使,也即第二信使,目前人们由实验推出的主要第二信使包括CA2、CAMP、磷酸肌醇、G蛋白、SA、茉莉酸及其甲酯以及植物细胞壁组成成分等。诱导子信号被传递到细胞内以后,通过控制次生代谢途径中关键酶的合成来调节次生代谢产物的合成。诱导作用是在转录水平上进行的,另外,诱导物可以活化植物次生代谢途径并对特定代谢产物进行选择性诱导。28诱导子的作用效果与诱导子浓度、诱导子加入时间以及诱导的时间长短等多种因素密切相关。在诱导子应用的过
14、程中,对于诱导子的用量、加入时间及加入后何时次生代谢产物合成量最高等问题,人们也做了大量的实验加以研究,施中东等29利用短期诱导实验考察了几种诱导子的最优诱导浓度,结果表明,在南方红豆杉细胞培养体系中分别加入10MMOL/L硝酸铈铵、001MMOL/L硝酸银、01MG/L花生四烯酸、01MG/L水杨酸以及100MG/L甲基茉莉酮酸最有利于紫杉醇产量的提高。有些诱导子中既含有诱导子活性成分,又含拮抗成分,两者的作用相互制约,所以诱导物的用量必须考虑让二者的作用达到平衡。在最适时间加入最适量的诱导子,并不能保证最后得到最多的次生代谢产物。因为加入诱导子后,次生代谢产物合成量开始提高,但一定时间以后
15、,有些植物培养体系合成的次生代谢产物量反而下降。产生这一现象的原因可能有以下几种一是合成的大量次生代谢物反馈抑制了该合成途径的酶,使合成受阻,这种抑制作用在一般的生物合成过程中都存在。二是次生代谢物与诱导物竞争与植物细胞的结合位点,使诱导信号不被识别,诱导物的作用减弱。三是由于合成次生代谢产物是以初生代谢产物为“原料”的,次生代谢产物的过量合成会导致植物生存所必需的初生代谢产物不足,从而刺激植物细胞产生一种分解次生代谢产物的酶,使次生代谢产物量下降。2832诱导子对次生代谢产物积累的影响目前,诱导子被广泛地应用于次生代谢产物的生产。在植物组织培养中,它们能诱导生物碱,萜类、皂苷、黄酮类化合物、
16、酚类、香豆素等多种次生代谢产物的产生。因此,诱导子在天然药物成分生产方面有着非常广阔的应用前景。321MEJA对次生代谢产物含量的影响甲基茉莉酸METHYLJASMONATE,MEJA)是亚麻酸衍生的具有环戊酮基团的化合物。最初,MEJA是从一种真菌中分离到的,随着研究的深入,发现它广泛存在于植物界中。早期人们主要通过外源施加MEJA来研究它的主要生理功能,随着20世纪80年代分子生物学的兴起,人们对它的生物合成和代谢的分子调控机理作了详尽的研究,发现茉莉酸调控许多基因的表达。归纳起来有两方面一部分基因与植物发育有关,如种子的萌发和生长、贮藏蛋白的积累、花和果实的发育、花粉的育性;另一部分基因
17、与自身防御系统有关,表现在对真菌感染病虫害、干旱机械损伤以及渗透胁迫等逆境的应激。目前,MEJA被认为是高等植物体内的内源生长调节物质,具有广泛的生理功能,在植物次生代谢过程中起诱导信号传导作用。更为重要的是,它们是病原物、激发子及创伤诱导植物防卫基因表达的信号分子,并且其本身也可作为激发子。近期的许多工作集中在外源MEJA诱导植物防卫反应及其信号传递作用。MEJA不仅促进细胞由初生代谢提前向次生代谢转化,并且能够增强细胞的次生代谢,有利于细胞相关次生代谢产物的合成。30外源性茉莉酸类化合物能有效刺激植物次生代谢物的生物合成,可引起植物次生代谢产物的迅速积累,其作用具有广泛性,能诱导包括萜类、
18、黄酮类、生物碱类等化合物的积累。GONG等人31的研究表明MEJA能有效调控银杏细胞中银杏内酯的合成,提高银杏内酯的含量。应用外源MEJA处理烟草NICOTIANASPP可诱导烟草从头合成烟碱,使整株烟草的烟碱含量提高210倍。余龙江等32研究的MEJA对红豆杉胚性细胞紫杉醇生物合成的影响实验表明,在第10D、20D加入MEJA,均在100MOL/L处出现最大值,分别使紫杉醇产量提高了1402和1377。王保军等33研究发现,培养基中添加100MOL/LMEJA后,贯叶连翘HYPERICUMPERFORATUML悬浮细胞中的贯叶金丝桃素HYPERFORIN,HF的产量分别是未经MEJA处理的1
19、73倍;培养3D时,培养基中添加100MOLL1MEJA能提高HF产量,是未经MEJA处理的24倍。杨英等34以胀果甘草GLYCYRRHIZAINFLATABAT悬浮细胞为材料,在对数期第11D添加200MOL/LMEJA时,黄酮含量和黄酮的产量最大,达到1127MG/G和9018MG/L,分别为对照的360和339倍。王学勇等35研究发现,丹参(SALVIAMILTIORRHIZA)毛状根经MEJA处理后2,6,9D隐丹参酮的含量分别达0039,0204,0572MGG1,分别是同时期未经MEJA处理的22,85,238倍;丹参酮IIA的含量达0251,0601,1563MGG1,分别是同时
20、间期未经MEJA处理丹参毛状根的19,41,62倍。张进杰等36研究发现,于细胞生长对数中期第8D,向黄芩SCUTELLARIABAICALENSIS悬浮培养细胞系中添加10MOLL1的MEJA,黄芩苷总量达到对照的296倍。322AA对次生代谢产物含量的影响花生四烯酸(ARACHIDONICACID,AA),学名为5,8,11,14全顺二十碳四烯酸,是6系列的一种重要的多不饱和脂肪酸。AA除作为具有广泛生物活性物质类花生酸前体外,其本身还是一个十分重要的细胞内第二信使,直接参与细胞内信号转导或者影响其它信号转导通路以调控细胞的生物活动。研究表明用AA处理土豆块茎可促进其茄尼醇含量的积累。龚一
21、富等在银杏GINKGOBILOBA中的研究表明,AA可调控DXS基因的表达水平,促进银杏内酯的积累。SRINIVASAN等37用5G/GAA处理红豆杉(TAXUSCHINENSIS)15D后,使紫杉醇含量提高了93倍。苗志奇等2000利用短期诱导实验,分析了AA对红豆杉细胞培养中紫杉烷合成的影响,在适宜浓度的AA诱导下,紫杉醇(TAXOL)的产量提高了近3倍。孙彬贤等38以南方红豆杉(TAXUSCHINENSISVARMEIREI)悬浮细胞为材料研究了AA对培养细胞生长和紫杉醇含量的影响,结果表明加入32MOL/LAA使紫杉醇含量提高了1倍。323CAS对次生代谢产物含量的影响硫酸铈铵(CER
22、IUMIVAMMONIUMSULFATE,CAS)是稀土化合物的一种。有人指出,在诱导培养中,稀土离子不能进入细胞,而是聚集在植物细胞壁和膜外的外侧之间周世恭,1995张若桦,1987,因此稀土可能作为一种外界信号作用于胞质膜而在膜上发生变化,引起胞内基因启动,酶活性的改变,从而启动细胞的防御机制。由于稀土离子可以改变细胞膜通透性,从而使次生代谢产物迅速分泌到培养基中,是提高植物培养细胞中次生代谢产物含量的另一有效途径。近年来,稀土元素被用于多种药用植物细胞的培养,在促进次生代谢产物合成方面效果显著。李景川等39研究了CE4对悬浮培养南方红豆杉细胞可溶性蛋白和紫杉醇合成的动态影响,结果表明适宜
23、浓度CE4(100MMOL/L)在短期内可大幅度提高紫杉醇的合成速度,达到最高积累。胡国武40研究表明,在东北红豆杉TAXUSCUSPIDATA细胞培养时加入硝酸铈铵能有效地提高紫杉烯合成酶基因转录,从而促进紫杉醇合成。崔堂兵等41发现,LMG/L的硝酸铈铵及10MG/L的硝酸镧均能促进银杏萜内酯的积累。YUAN等42发现CE3、LA3及混合稀土在合适的浓度范围内可促进水母雪莲SAUSSUREAMEDUSA细胞黄酮类化合物的合成,其中以0025MMO1/L的CE3效果最佳,黄酮类化合物产量是对照实验的1667。4展望诱导子被广泛地应用于次生代谢产物的生产。在植物组织培养中,它们能诱导生物碱,萜
24、类、皂苷、黄酮类化合物、酚类、香豆素等多种次生代谢产物的产生。而诱导因子MEJA、ARA、CAS对雨生红球藻虾青素积累的影响尚未见相关报道。针对雨生红球藻虾青素在应用上的巨大潜力,研究诱导子对雨生红球藻细胞生长和虾青素含量的影响,为雨生红球藻虾青素的规模化生产提供理论基础。研究诱导子对虾青素合成关键酶基因表达的影响,为探明雨生红球藻虾青素积累的分子机制研究提供基础。参考文献1RICHMONDAHANDBOOKOFMICROALGALCULTUREBIOTECHNOLOGYANDAPPLIEDPHYCOLOGYMIOWA,USABLACKWELLSCIENCELTD,20042812882SHI
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