強(qiáng)光（HL）脅迫易誘導(dǎo)萊茵衣藻（C. reinhardtii）產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，不僅會促使次級代謝物異常積累，還會顯著抑制其生物質(zhì)合成，制約萊茵衣藻生物制品的高效產(chǎn)出。褪黑素（MT）作為一種具有強(qiáng)抗氧化活性的生物調(diào)節(jié)劑，在緩解植物逆境脅迫、調(diào)控生長代謝方面發(fā)揮重要作用，但關(guān)于其在強(qiáng)光脅迫下對萊茵衣藻生長及代謝物生成的調(diào)控機(jī)制尚未明確。本研究以此為切入點，系統(tǒng)探究褪黑素在強(qiáng)光壓力下對萊茵衣藻生長狀態(tài)和代謝物合成的調(diào)控效應(yīng)及分子機(jī)制，為提升萊茵衣藻生物制品產(chǎn)量提供理論支撐與技術(shù)參考。
本研究通過設(shè)置單強(qiáng)光對照組（HL組）與強(qiáng)光+10 μM褪黑素處理組（HL+10 μM MT組），對萊茵衣藻進(jìn)行為期7天的脅迫處理，結(jié)合生物量測定、成分分析、分子生物學(xué)檢測及轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)，系統(tǒng)解析褪黑素的調(diào)控作用。結(jié)果顯示，與HL對照組相比，HL+10 μM MT組萊茵衣藻的生長與代謝指標(biāo)得到顯著改善：生物量從0.39 g/L提升至0.43 g/L，增幅達(dá)10.3%；脂質(zhì)含量從干重（DW）38.9%提升至40.3% DW，增幅為3.6%，實現(xiàn)了生物質(zhì)與目標(biāo)代謝產(chǎn)物的協(xié)同提升。
機(jī)制探究表明，外源性褪黑素的施加有效緩解了強(qiáng)光脅迫對萊茵衣藻造成的光損傷，一方面通過增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)，為細(xì)胞生長提供穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境；另一方面通過調(diào)控代謝通路，促進(jìn)初級與次級代謝物的有序積累。分子層面上，外源性褪黑素不僅能夠顯著上調(diào)萊茵衣藻體內(nèi)關(guān)鍵生物合成酶的表達(dá)水平，還可激活內(nèi)源性褪黑素的生物合成通路，形成“外源性補(bǔ)充-內(nèi)源性激活”的協(xié)同調(diào)控效應(yīng)，進(jìn)一步強(qiáng)化其抗逆能力與代謝調(diào)控作用。
轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果進(jìn)一步揭示了褪黑素調(diào)控萊茵衣藻生長代謝的分子靶點，其中與氮代謝、脂質(zhì)生物合成、DNA復(fù)制及類胡蘿卜素合成相關(guān)的基因家族被顯著上調(diào)。氮代謝基因的上調(diào)有助于優(yōu)化細(xì)胞氮素利用效率，為蛋白質(zhì)合成與能量代謝提供保障；脂質(zhì)生物合成基因的高表達(dá)直接推動脂質(zhì)積累，提升目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量；DNA復(fù)制相關(guān)基因的激活則有利于促進(jìn)細(xì)胞分裂與增殖，提升生物量；類胡蘿卜素合成基因的上調(diào)可增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化能力，進(jìn)一步緩解強(qiáng)光脅迫損傷。
本研究明確了褪黑素在緩解萊茵衣藻強(qiáng)光損傷、調(diào)控生長代謝中的核心作用，證實了“強(qiáng)光+褪黑素”組合模式在提升萊茵衣藻生物制品產(chǎn)量方面的巨大潛力。研究結(jié)果不僅豐富了褪黑素在微藻逆境調(diào)控中的作用機(jī)制，為解析褪黑素在強(qiáng)光脅迫下的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了新的分子視角，也為微藻生物制品高效生產(chǎn)的逆境調(diào)控技術(shù)研發(fā)提供了重要理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。
原文及鏈接：The role of melatonin in enhancing antioxidant capacity and mitigating high light-induced damage in?Chlamydomonas
