植物激素调控微藻储能物质积累研究进展

项 琦,姚长洪,谢成林,焦荟璇,冉雯仪,张永奎,李德富

(四川大学化学工程学院，四川成都610065)

随着全球社会的快速发展和人口的不断增加，能源物质的供应不足和环境污染等问题随之发生，寻找可再生、可持续且环境友好的新能源物质成为近年来研究者关注的热点之一。微藻是一类能够进行光合作用的微生物，其生长周期短，光合作用效率高，富含脂类、碳水化合物等储能物质，可以转化为生物柴油、生物乙醇和生物基化学品。微藻的光合效率是陆生植物的10～50倍，而一些产油微藻的理论生物产油量是陆地植物产油量的10～100倍[1]，因此微藻被认为是人类未来新能源和化学品的潜在可再生原料[2]。微藻油脂和碳水化合物的积累通常发生在非生物胁迫(高光强、高盐度、营养盐限制和重金属等)条件下[3]。然而这些条件会限制微藻细胞的生长，进而使其储能物质的产量降低[2]。

植物激素是作为化学信使协调高等植物细胞活动的一类小分子物质[4]，在细胞分裂、生长及组织器官分化等方面调控植物生长发育。值得注意的是，植物激素在调节植物对广泛的生物和非生物胁迫的响应中起着重要作用[5-6]。例如，脱落酸通过控制高等植物对H2O和离子的吸收，提高植物对温度和盐胁迫的抗性[7]。高等植物的激素系统是由微藻的原有初级代谢系统进化而来[8]，而现代高等植物的植物激素生物合成途径可能起源于古微藻[6]，因此，植物激素对微藻的作用原理可能和植物激素对植物体作用的机制相似。因此，可以将植物激素用于微藻的培养中，对微藻的生长繁殖和胁迫耐受产生正调控作用。已有研究表明，添加适量浓度植物激素可以促进微藻细胞分裂、提高光合作用效率、提高藻类生物量并增加油脂、叶绿素及蛋白质的含量[6,9-10]。这为在胁迫条件下提高储能物质产量提供了新策略[11]。本文中，笔者就近年来国内外利用外源添加植物激素结合非生物胁迫条件调控微藻储能物质积累的研究进展进行综述，并提出未来可能的研究方向。

1 植物激素及其在微藻中的作用机制

最常见的5种植物激素包括生长素(auxins)、脱落酸(abscisic acid,ABA)、赤霉素(gibberellin,GA)、细胞分裂素(cytokinin,CK)和乙烯(ethylene,ET)[10]。此外，水杨酸(salicylic acid,SA)、油菜甾醇类物质(brassinosteroids,BRs)、茉莉酸类(jasmonates,JAs) 和褪黑素(melatonin,MT)等小分子物质也可作为植物激素对微藻生长和生理代谢产生调控作用[11-13]。各种植物激素对微藻生长和储能物质积累的主要调控机制如图1所示。

1.1 生长素

生长素是发现最早、研究最多的一种植物激素[13]，具有促进植物细胞分裂和细胞膨胀的功能[14]，包括吲哚-3-乙酸(IAA)、吲哚-3-丁酸(IBA)、吲哚-3-丙酸(IPK)、吲哚-3-乙酰胺(IAM)、吲哚-3-n-丙酸(IPA)、1-萘乙酸(NAA)和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)等[10]。其中，对IAA研究最清楚，IAA可以通过提高微藻光合作用过程中的固碳关键酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)和油脂合成关键酶乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)的活性，增强微藻的光合作用，促进微藻的生长和油脂的积累[15-16]。此外，生长素IAA在氮限制条件下可以诱导抗氧化酶(如超氧化物酶和过氧化氢酶)的表达，从而减轻藻细胞所受的氧化胁迫，提高生物质产率[15]。

1.2 脱落酸

脱落酸(ABA)的化学本质是15个碳的倍半萜化合物，普遍存在于高等植物中，对藻类生理代谢也具有显著影响[17]。ABA可以减轻高等植物和微藻面临环境压力所造成的有害影响[18]，产生对逆境的抗性，如抗旱、抗寒、抗病及耐盐等[13]。 Liu等[19]证明了植物激素ABA能够提高浮萍淀粉生物合成酶的活性，降低催化淀粉降解酶的活性，促进淀粉的积累。赵艳霞等[20]发现在盐胁迫条件下，ABA可以调节盐藻(Dunaliellasalina)的代谢，增强谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶的活性，并提高具有抗氧化活性的β-胡萝卜素和多糖的生物合成，清除过氧化物或自由基，降低氧化胁迫对盐藻的损害。在干旱胁迫下的雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)中，ABA能够抑制细胞的生长，促进微藻加速进入休眠状态，以应对环境压力。另外，ABA通过刺激类胡萝卜素的生物合成来增强H.pluvialis对脱水的耐受性，而积累的类胡萝卜素则进一步起到保护作用，防止氧化应激损伤[21]。由此可见，ABA能够在逆境条件下，帮助微藻进入休眠状态，应对环境压力，增强微藻的抗逆性。

图1 植物激素调控微藻生长和储能物质积累机制Fig.1 Schematic map of enhancing mechanisms of phytohormones on growth and energy-storage compounds accumulation in microalgae

1.3 赤霉素

赤霉素(GA)的化学本质属于贝壳衫烯类化合物，是一种普遍存在于植物体内的内源性植物激素，根据其结构的双键、羟基的位置和数目不同，可分为GA1～7等最具活性的7种形式[13,22]。在添加外源GA的微藻培养基中，GA能够缩短细胞生长的停滞期，促进细胞进入生长指数期，刺激色素和蛋白的积累[10]。赤霉素通过调节营养的吸收和利用，特别是通过调节碳代谢，对微藻的生长和代谢产生影响[23-24]。在氮限制条件下，GA通过提高小球藻固碳关键酶Rubisco大亚基rbcL基因的表达，促进其光合作用和细胞生长[16]。GA3通过增加酯酶活性和介导细胞内碳的分布，增强了Chlorellapyrenoidosa的生长和脂质积累[24]。GA还能减轻重金属对微藻的毒性，GA3可以减轻镉和铅对C.vulgari的毒性，使其保持细胞生长和光合作用活性[25]。因此，GA对微藻也具有抗胁迫效果。

1.4 细胞分裂素

细胞分裂素(CK)是嘌呤的衍生物，它几乎参与了植物生长发育中的所有过程[26]，促进植物体对营养物质的吸收，增强对环境的耐受性[10]。在植物组织中，CK包括玉米素(zeatin,Z)、激动素(kinetin,K)和6-BA,其主要存在形式是玉米素，有顺式和反式两种结构，反式是最活跃且分布最广的结构[27]，但在微藻中顺式是主要的活性形式[28]。CK可以诱导微藻细胞分裂，增强光合色素积累，提高光合作用效率，从而促进生物质积累[29-30]。在不利的环境条件下，CK对微藻的生理活动尤其是光合作用有保护效果[31]。

1.5 乙烯

乙烯(ET)是仅含2个碳原子的不饱和烃气体，作为植物激素能够调节植物生长和衰老，并抵御生物(如病虫害入侵)和非生物胁迫(如高盐、干旱和寒冷等)[32-33]。微藻细胞内乙烯的生成受光照条件和培养基组成的影响，通常低光强会抑制乙烯的生成，而葡萄糖的添加会刺激胞内乙烯的合成[34-35]。乙烯对微藻细胞的生长和生化物质合成的调控作用与其浓度有较大关系。外源添加5 mmol/L以内的乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)对H.pluvialis的生物质积累存在正浓度依赖关系，而在ACC浓度为1 mmol/L时，虾青素积累达到最佳[36]。外源添加乙烯释放前体乙烯利(ethephon)能促进小球藻中α-生育酚和γ-氨基丁酸(GABA)的合成，提高抗氧化能力，从而有利于小球藻生物质积累，同时提高饱和脂肪酸的含量[37]。乙烯用于微藻的研究还较少，其作用机制需要深入研究。

1.6 水杨酸

水杨酸(SA)是植物体内合成的酚类化合物，化学名为邻羟基苯甲酸[38]，参与调节植物体的种子萌发、细胞生长、光合作用、固氮和衰老等生理过程[26]，同时诱导植物对非生物胁迫(低温、盐度、重金属和干旱等)产生抗性，对植物体产生保护作用[39-40]。SA对微藻的调控作用主要体现在对抗氧化系统的影响方面。SA促进H2O2的生成，提高类胡萝卜素相关基因的表达，从而促进抗氧化物质(如虾青素、β-胡萝卜素)的积累，且在低光强下效果更加明显[41-42]。此外，SA还影响微藻的碳流分配。SA可以通过调整氮代谢、氨基酸代谢、糖酵解、磷酸戊糖途径和脂肪酸代谢等相关酶的转录，促进碳水化合物和蛋白降解，使碳流更多地分配到脂肪酸合成途径，提高微藻脂质积累[12,43]。然而，最近Chu等[5]发现，SA提高三角褐指藻的三酰甘油(TAG)产量是由于SA促进藻细胞的生长和生物质积累所致，而并非直接促进TAG的生物合成。关于SA影响微藻生长和储能物质的机制需要进一步研究。

1.7 其他植物激素

除了上述植物激素外，油菜甾醇类 (BRs)、茉莉酸类(JAs) 和褪黑素(MT)等小分子植物激素也能对微藻生理代谢产生影响。油菜甾醇类(BRs)分子可以调节微藻细胞分裂和细胞延长，提高细胞抗氧化能力，促进细胞对营养物质的吸收并合成生长所需的蛋白质、核酸、糖类和光合色素[44-46]。此外，BRs在微藻抗非生物胁迫(如重金属、高/低温、高盐等)过程中发挥重要作用[47-48]。BRs还能与其他植物激素如生长素协同作用，促进细胞分裂和代谢物的合成[49]。

茉莉酸类(JAs)植物激素分子主要包括茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MJ)，主要参与微藻非生物胁迫下的信号转导[50]。与SA类似，JAs能提高微藻类胡萝卜素相关基因的表达，促进抗氧化物质如虾青素、β-胡萝卜素的积累[51]。

褪黑素(MT)是一种天然的抗氧化剂，其不仅能直接减轻微藻所受高光和氮缺乏导致的氧化胁迫，还能激活微藻的抗氧化系统，促进抗氧化分子(如虾青素)的合成，提高微藻的生物量和油脂积累[50,52]。综上，目前研究的大多数植物激素能够直接或间接地参与微藻细胞的抗氧化胁迫等生理过程，从而提高胁迫条件下微藻的生物质和储能物质的积累。

2 植物激素调控微藻生长和储能物质积累的应用

微藻储能物质(脂质和碳水化合物)积累主要是由环境应激条件(如非生物胁迫)导致[53]。这些环境应激条件包括物理刺激(如温度、 pH、光照强度和盐度等)和化学刺激(如缺氮、缺硫或缺磷等营养盐限制)[54]。营养盐限制由于其高效性，是微藻积累储能物质常用的一种策略。然而，由于微藻在胁迫环境中生长受到限制，导致生物量的积累降低，储能物质的产量因此也受到影响。近年来，利用外源添加植物激素抵抗环境应激条件带来的氧化胁迫、改善微藻细胞生长和储能物质积累的研究逐渐兴起，并发展了相关培养工艺和策略，使得生物量和储能物质产量的同时提升成为可能(表1)。

2.1 氮限制条件

氮(N)元素是微藻细胞合成核酸、氨基酸、蛋白质和叶绿素等生物功能分子的必需元素。N的缺乏会导致微藻细胞生长减缓、光合作用效率下降、蛋白质和叶绿素合成减弱甚至降解，细胞将光合作用固定的碳源更多地用于储能物质(油脂或碳水化合物)的积累，同时生物质的积累受到限制[3,55]。利用植物激素可以减轻N限制带来的氧化胁迫，提高N限制下的微藻细胞生长和储能物质积累。Babu等[15]通过在N限制(对照组N浓度的50%)条件下添加1.0×10-5mol/L的生长素IAA，使得Chlorellasorokiniana的生物质产率从166 mg/(L·d)增加到201 mg/(L·d)，同时油脂产率从32 mg/(L·d)上升到69 mg/(L·d)。在N限制下，向Acutodesmusobliquus培养液中添加细胞分裂素kinetin (1.0 mg/L)和Z (0.1 mg/L)，使生物质产率分别提高了50.0%和60.7%，同时油脂产率分别提高了65%和63%，油脂和碳水化合物含量也明显提高[56]。在缺氮条件下，Zhao等[52]添加褪黑素(MT)，使Monoraphidiumsp.QLY-1的油脂含量达到51.38%，是不添加MT对照组的1.22倍，生物质产量也明显高于不添加MT的对照组。笔者在氮限制条件下加入100 μmol/L 水杨酸(SA)培养亚心形四爿藻(Tetraselmissubcordiformis)，其淀粉含量最高达到52%，比未添加SA的对照组高37%，淀粉产量和产率分别比对照组高19%和20%(未发表数据)，证明添加植物激素在调控产糖微藻的碳水化合物积累方面也具有较好效果。

表1 植物激素调控微藻生物质和储能物质积累

2.2 其他胁迫条件

盐度是影响微藻生长的重要环境因子，对微藻的渗透压以及膜的通透性有重要影响。盐度的改变会导致微藻细胞处于氧化胁迫状态，影响微藻的生物质积累并引起细胞生化成分的变化[57]。利用植物激素可以减轻高盐或高渗透条件对微藻造成的氧化胁迫，促进生物质和储能物质积累。例如，在高盐(0.1 mol/L NaCl)或高渗透(0.4 mol/L山梨醇)环境下，ABA可以降低Chlamydomonasreinhardtii胞内的活性氧(ROS)水平，提高抗氧化酶活性，促进其细胞生长[58]。此外，植物激素还可以减轻重金属和高氨氮等环境对藻细胞的毒害作用，从而提高生物质产量。例如，细胞分裂素kinetin可以诱导处于铬胁迫下的Nostocmuscorum抗氧化酶活性，抑制呼吸作用，从而降低氧化胁迫，提高光合活性，促进生物质积累[59]。IAA、Z和BR均可以提升高氨氮胁迫下Tetraselmiscordiformis的抗氧化能力和光合活性，从而使生物质产量提高近35%[60]。

2.3 多种植物激素联合使用

单一使用某种植物激素，对微藻产生的影响不仅有正面作用，同时也可能存在负面影响。例如，ABA能够增强微藻对胁迫的耐受性，同时ABA是一种生长抑制剂[10]。联合使用多种植物激素可以弥补单一植物激素带来的负面影响，产生优势互补效应。比如，CK往往能够激发微藻细胞的周期进程，促进藻细胞的生长[10]。CK的这一特点可以弥补ABA是生长抑制剂的缺点。所以ABA和CK在细胞生物合成的协调中起着复杂的交互作用，以响应微藻面临的不利环境因素[61]。在缺氮条件下，将Z(0.5 mg/L)、IAA(1 mg/L)、GA(5 mg/L) 同时添加到富油栅藻(Acutodesmusobliquus)的培养基中，脂质、糖的含量、产率与对照组相比均有提高[62]。14 mg/L 的MJ、6 mg/L的ABA和2 mg/L的SA混合使用，使三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)的TAG产率达到6.83 mg/(L·d)，是对照组的2.41倍[5]。油菜素内酯 (BL) + IAA能够明显促进Chlorellavulgaris积累更多的叶绿素、蛋白质和单糖[49]。NAA+GA3与NAA+Z处理Chlorellavulgaris培养液，与对照组相比，生物质产量分别提升了138%和136%[63]。因此，多种植物激素联合使用，可以促进微藻生物质积累。

3 总结与展望

外源植物激素和非生物胁迫条件相结合，可能实现微藻生物量和储能物质产量的同步提高。植物激素主要通过减轻氧化胁迫而发挥正调控作用。目前关于添加植物激素调控微藻储能物质积累的研究主要集中于氮限制条件下的产油微藻(Scenedesmussp.、A￣c￣u￣t￣o￣d￣e￣s￣m￣u￣sobliquus、Monoraphidiusp.QLY-1和Acutodesmusobliquus等)，其余有效的胁迫条件(如缺磷、缺硫和高光等)和产糖微藻涉及很少。此外，目前植物激素对微藻的调控作用机制尚不完全清楚，并且缺乏对于微藻内源性植物激素的研究。另外，由于植物激素价格昂贵,添加植物激素可能增加微藻储能物质的生产成本。因此，未来的研究重点可能将集中于这三方面：①深入研究具有正调控作用的植物激素对微藻储能物质代谢调控的分子机制。随着系统生物学的发展，利用多组学(如转录组、蛋白质组、代谢组、相互作用组)联合分析，系统研究植物激素刺激下微藻细胞代谢过程的响应和调控机制，将为利用代谢工程和合成生物学手段进一步提升储能物质生产奠定理论基础。②在更广泛的范围内筛选更有效且廉价的植物激素，在更多的有效胁迫条件(如缺磷、缺硫或高光等)下应用于更多种属的产糖和产油微藻储能物质代谢调控。③在培养工艺和培养模式上优化植物激素的添加策略，并进行技术经济分析，使其最大限度地发挥提升微藻储能物质产量的作用，同时控制生产成本。