外源植物激素调控微藻生长及目标产物积累研究进展_李苑虹.pdf

综述与专论2023,39(6):61-72生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN收稿日期：2022-09-21基金项目：国家自然科学基金项目（32201253），湖北省自然科学基金项目（2021CFB224），暨南大学热带亚热带水生态工程教育部工程研究中心开放课题（2021A0401），湖北省高校优秀中青年科技创新团队（T2020012），湖北省重点研发项目（2020BBA043）作者简介：李苑虹，女，硕士研究生，研究方向：微藻生物资源与生物技术；E-mail:通讯作者：王飞飞，男，博士，讲师，研究方向：微藻生物资源与生物技术；E-mail：外源植物激素调控微藻生长及目标产物积累研究进展李苑虹1 郭昱昊1 曹燕1 祝振洲1 王飞飞1，2（1.武汉轻工大学硒科学与工程现代产业学院，武汉 430048；2.暨南大学热带亚热带水生态工程教育部工程研究中心，广州 510632）摘 要：微藻因独特的生长优势及富含油脂、蛋白质、类胡萝卜素、不饱和脂肪酸等物质，使其在生物能源、功能食品、医药保健等领域应用广泛。非生物胁迫（缺氮、高光强、高温、高盐、重金属等）是诱导藻细胞快速富集油脂等代谢物的传统且有效的手段，但通常是以牺牲微藻生长量为代价，限制了目标产物的高效积累。植物激素是一种调节微藻细胞生长代谢的重要小分子信号物质，其调控微藻的生长代谢过程主要包括促进藻细胞的分裂、调控藻类抗逆性、提高光合作用效率及重要次级代谢产物的积累等。因此，通过将植物激素和非生物胁迫相结合的手段可以进一步促进目标产物的合成并提高微藻在非生物胁迫条件下的耐受能力。论文总结了近年来被应用到微藻培养体系中的植物激素种类、可能的合成途径及其生理功能，分析了其在藻类应答非生物胁迫中的作用及对细胞生长和目标产物合成的影响，探讨了植物激素调控下微藻抵抗不同非生物胁迫的内在机制研究及其耐受逆境协同油脂积累的可能机制，并展望了外源植物激素在微藻生物质产业发展中的机遇和挑战，旨在为微藻高效培养及高附加值产物的积累提供理论依据和技术指导。关键词：微藻；外源植物激素；非生物胁迫；生物量；目标产物；调控机制DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2022-1166Research Progress in the Microalgal Growth and Accumulation of Target Products Regulated by Exogenous PhytohormoneLI Yuan-hong1 GUO Yu-hao1 CAO Yan1 ZHU Zhen-zhou1 WANG Fei-fei1,2（1.College of Modern Industry for Selenium Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048;2.Engineering Research Center for Tropical and Subtropical Aquatic Ecological Engineering,Ministry of Education,Jinan University,Guangzhou 510632）Abstract:Microalgae are widely used in bioenergy,functional food,medicine and health care owing to their unique growth advantages and richness in oils,proteins,carotenoids,unsaturated fatty acids and other substances.The use of abiotic stresses（nitrogen deficiency,high light intensity,high temperature,high salinity,heavy metals,etc.）is an effective and traditional means of inducing rapid enrichment of lipids and other metabolites in algal cells;however,it is usually at the expense of the growth of microalgae,which limits the efficient accumulation of target products at the expense of growth.Phytohormones are small molecule signaling substances that regulate algal cell growth and metabolism,including promoting microalgal cell proliferation，enhancing stress tolerance，elevating photosynthetic activity and promoting the accumulation of important secondary metabolites.Therefore,the combination of phytohormones and abiotic stresses can further promote the synthesis of target products and improve the tolerance of microalgae to abiotic stress conditions.Based on this,this paper summarized the types,biosynthetic pathways and physiological functions of phytohormones that have been applied to microalgae culture systems in recent years,analyzed their roles in the responses of microalgale to abiotic stresses and their effects on cell growth and target product synthesis,and discussed the internal mechanism of microalgae resistances to different abiotic stresses under the regulation of phytohormones and the possible mechanism of phytohormone-mediated stress tolerance and lipid accumulation in microalgae.In addition,the opportunities and challenges of exogenous phytohormones are also prospected in the development of microalgae industry,aiming to provide theoretical basis and technical support for the efficient cultivation of microalgae and the accumulation of high value-added products.Keywords:microalgae;exogenous phytohormones;abiotic stress;biomass;target products；regulatory mechanism生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.662随着工业化、城市化进程加快以及人口数量不断增加，资源短缺、环境污染和生态恶化等问题日益加剧，促进资源和环境协调发展关系到人类命运和前途，是全世界共同关注的焦点。微藻作为生产第三代生物柴油的代表性生物质原料，具有油脂含量高、生长周期短、不受时空限制和固碳能力强等优势，被认为是极具潜力的环保型化石燃料替代能源1。此外，藻类还能合成不同于陆生植物来源且具有新颖化学结构及特殊生物活性的高附加值代谢产物，如多不饱和脂肪酸（eicosapentaenoic acid,EPA;docosahexaenoic acid,DHA）、虾青素、藻胆蛋白2等。因此，发展微藻生物技术是缓解能源危机、保障食物可持续性供给以及实现“双碳”目标的潜在途径。然而，在藻类培养过程中某些重要次级代谢产物（油脂、虾青素等）的富集通常发生在不适合其生长的非生物胁迫条件（缺氮、高光、高盐等）下，造成目标产物积累效率偏低、生产成本较高等，在经济可行性上制约着微藻产业的发展。因此，针对非生物胁迫条件下微藻生长和次级代谢产物积累不平衡的问题，如何增强藻细胞应对逆境的生理适应性是在保证生物质积累的基础上提高目标产物产率的关键。植物激素是植物细胞接收特定环境信号诱导产生的一些微量而能调节（促进或抑制）自身生理过程的简单小分子有机化合物，并在抵抗环境压力方面发挥着重要作用。现有证据已表明，高等植物中植物激素系统很可能起源于微藻原有代谢系统，由此推测将外源植物激素添加到藻类培养体系中可提高生物质和代谢产物产量3。目前，一些研究已经证实外源植物激素可有效缓解藻类非生物胁迫并促进重要次级代谢产物的积累，本文重点归纳和总结了近年来被应用到微藻培养体系中的植物激素种类，及其对微藻应答非生物胁迫并调控生长和目标产物积累的作用效果和影响机理，旨在为微藻高效培养及高附加值产物的积累提供理论依据和技术支持，促进微藻产业高质量发展。1 微藻培养中常用的外源植物激素及生理 功能目前，在微藻培养过程中常用的植物激素主要有生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯、油菜素内酯、茉莉酸盐、水杨酸等。1.1 生长素生长素（auxins）是最早发现的植物激素，其基本生理作用是调节细胞生长和分裂，通过在植物体内的非均匀分布，刺激植物对环境的响应以促进植物生长发育等，还参与光照调节的植物生长和发育过程4。生长素包括吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid,IAA）、吲 哚-3-丁 酸（indole-3-butyric acid,IBA）和吲哚-3-丙酸（3-indolepropionic acid,IPK）、吲 哚-3-乙 酰 胺（indole-3-acetamide,IAM）等5，其中 IAA 是植物体内含量最丰富、分布最广泛的主要形式的生长素。高等植物中 IAA 生物合成途径包括 1 个不依赖色氨酸的途径和 4 个依赖色氨酸的途径6，即吲哚-3-乙酰胺（indole-3-acetamide,IAM）、吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvic acid,IPA）、色氨酸（tryptophan,TRA）和吲哚-3-乙醛肟（indole-3-acetaldoxime,IAOx）途径7。研究发现，微藻中的IAA 主要是通过 IAM 生物合成途径合成8。图 1 中总结了 IAA 及其他一些植物激素在微藻中可能的生物合成途径。此外，微藻中决定生长素组成和含量的因素包括物种的生物学特性和培养条件，并发现IAA 及其衍生物对藻类生长可表现出促进和抑制双重性9。1.2 细胞分裂素细胞分裂素（cytokinin,CK）是具有广泛生物学效应的一类腺嘌呤衍生物，在植物的生长发育、营养吸收等方面发挥调控作用4。植物中的 CK 受细胞分裂素氧化酶/脱氢酶调节其动态平衡，且在微藻中存在一个简化的细胞分裂素网络。CK 的结构按侧链分为类异戊二烯类和芳香族，其中类异戊二烯类细胞分裂素有 4 组，即反式玉米素（trans-zeatin,tZ）、顺式玉米素（cis-zeatin,cZ）、二氢玉米素（dihydrozeatin,DHZ）和异戊二烯腺嘌呤（isopentenyl adenine,iP）10；芳香型细胞分裂素的两组分别是苄腺嘌呤（benzylaminopurine,BA）及其羟基化形式11。在微藻中鉴定出的 CK 有 37 种，其中最基本和最有效的形式是异戊二烯型，以顺式玉米素、异戊二烯腺嘌呤及其衍生物为主6。然而在培养过程中，光2023,39(6)63李苑虹等：外源植物激素调控微藻生长及目标产物积累研究进展照条件和营养物质可显著影响藻细胞中 CK 的含量和组成，而且 tRNA 的降解也可能是 CK 的来源10。研究发现 CK 对藻细胞具有明显刺激作用11，目前外源细胞分裂素应用的大多是激动素（kinetin,K）与玉米素等，它们在胁迫条件下，能够有效促进细胞分裂并保护光合作用系统6。1.3 赤霉素赤霉素（gibberellin,GA）属于二萜类化合物，是植物生长发育的必需植物激素之一，可促进细胞分裂增值及 RNA 和蛋白质合成，在调控种子萌发、花和果实发育等过程具有重要作用4。Stirk 等12首次在 24 种微藻中成功检测到 18-20 种内源性赤霉素。目前，已有 130 多种 GA 被鉴定出来11，其中生物活性最高的为 GA1、GA3、GA4和 GA713，可有效促进微藻对生长介质中营养物质的吸收来影响其生长和代谢14-16。关于微藻中 GA 的生物合成途径与高等植物有所不同，其中高等植物主要是由 GA12最终合成以 GA1和 GA4形式存在的 GA，而微藻中GA6则是活性稳定的形态13,15，但同时也受培养条件影响以维持激素稳态，如 Stirk 等16发现，不同光照条件可诱导极微小球藻（Chlorella minutissima）中的 GA 形式的转换。1.4 脱落酸脱落酸（abscisic acid,ABA）是一种具有倍半萜结构的植物激素，其调节作用贯穿于植物生长发育过程及非生物胁迫反应的植物生命周期的多种生理过程当中17。ABA 主要有两种生物合成途径，包括由前体异戊烯经非甲羟戊酸（MEP）途径及甲羟戊酸聚合成类胡萝卜素后裂解转变途径18，而其代谢途径分别是通过甲基羟基化的过氧化反应分解和与小分子形成共价结合而失活18。ABA 是参与植物适应环境的关键激素，在不利环境条件下其浓度会迅速增加，而在合适条件下则可通过 ABA 水解酶活性来维持其含量的动态平衡18。此外，ABA 具有抗氧化作用，可通过提高过氧化氢酶活性及促进抗氧化物质的合成来缓解氧化应激19。1.5 乙烯乙烯（ethylene,ET）是一种已被广泛应用于农业生产的小分子不饱和烃气体，很容易通过膜扩散20。ET 在微藻中的生理调节作用与高等植物相似，ET 和乙烯受体（1-MCP）可以调节集胞藻（Synechocystis sp.PCC 6803）PSII 的光化学效率21，并能调节胞内脂肪酸的积累，如提高棕榈酸、油酸的含量22。此外，Kim 等22发现 ET 的存在使普通小球藻（Chlorella vulgaris）中-生育酚、-氨基丁酸（GABA）含量显著增加。不过，这些生物学过程极少是 ET 特异的，大多数是由 ET 与其他激素共同作用的效果20。1.6 其他植物激素除 上 述 植 物 激 素 外，水 杨 酸（salicylic acid,SA）、油 菜 素 甾 醇（brassinosteroid,BRs）、茉 莉酸（jasmonic acid,JA）、独脚金内酯（strigolactones,SLs）和褪黑素（melatonin,MT）等，也是微藻培养常使用的外源植物激素。SA 是诱导植物对生物胁迫及非生物胁迫反应的示意图显示了在微藻中吲哚-3-乙酸、细胞分裂素、脱落酸和赤霉素 MEP依赖的可能的生物合成途径，虚线箭头表示多步反应的途径，问号表示未定义的途径。PEP：磷酸烯醇式丙酮酸；IAA：吲哚-3-乙酸；IAM：吲哚-3-乙酰胺；IAAld：吲哚乙醛；IPyA：吲哚-3-丙酮酸；Trp：色氨酸；G3P：甘油醛-3-磷酸；MEP：甲基赤藓糖醇磷酸酯；DMAPP：二甲基丙烯焦磷酸酯；IPP：异戊烯焦磷酸；GGPP：双（牻牛儿基）二磷酸盐；GA12ald：赤霉素 A12醛Schematic cartoon displays the indole-3-acetic acid,cytokinins,abscisic acid and gibberellins MEP-dependent possible biosynthetic pathways.Dashed arrows refer to pathways with multistep reaction.Question mark indicates undefined pathways.PEP:Phosphoenolpyruvate.IAA:Indole-3-acetic acid.IAM:Indoleacetalamine.IAAld:Indol-eacetaldehyde.IPyA:Indole-3-pyruvic acid.Trp:Tryptophan.G3P:Glyceraldehyde 3-phosphate.MEP:Methylery-thritol phosphate.DMAPP:Dimethylallyl pyrophosphate.IPP:Isopentenyl pyrophosphate.GGPP:Geranylgeranyl dip-hosphate.GA12ald:Gibberellin A12 aldehyde图 1 植物激素在微藻中可能的生物合成途径Fig.1 Feasible biosynthetic pathways of phytohormones in microalgae生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.664一种酚类分子衍生物。SA 可作为一种信号分子以调节呼吸作用、光合作用、蛋白质和胡萝卜素合成来调控生长发育23。此外，SA 也是调节应激反应的关键信息分子，可通过激活抗氧化酶活性和诱导负责保护机制的基因来提高抗氧化能力23。目前，在微藻中发现 SA 可能是由苯丙氨酸和酪氨酸作为前体而合成24。BRs 是 C27、C28和 C29多羟基化的甾体激素，具有 5-胆甾烷骨架25。BRs 在维管植物中具有促进生长和缓解胁迫的双重作用，在细胞水平上促进生长，参与细胞分裂、分化等调控26。Stirk 等12在24 种微藻中均检测到 BRs 的存在，且油菜素内酯的浓度要普遍高于蓖麻酮。此外，研究发现在许多微藻中逆境胁迫条件可有效诱导微藻内源性油菜素类固醇的合成，油菜素类固醇可能参与了藻类抗逆的生物学过程26-27。JA 是植物体内一类重要的植物激素，参与植物生长发育过程，并在植物抵抗生物胁迫和非生物胁迫过程中发挥着重要作用4。在微藻中，茉莉酸甲酯（MeJA）是一种来源于亚油酸的氧化脂质信号分子，可以调控藻细胞生长、脂质积累和类胡萝卜素合成28。SLs 是一类由类胡萝卜素衍生出来的类萜内酯，可作为信号分子4。Song 等29发现 SL 处理单针藻（Monoraphidium sp.）时与 Ca2+和 NO 信号之间存在信号串扰。此外，在缺氮条件下，SL 能够提高 JA、谷胱甘肽（GSH）、-氨基丁酸（GABA）和促进脂质合成相关基因表达，并降低活性氧（ROS）水平30。MT 是植物的生物和非生物应激源中的一种重要信号分子，具有激活抗氧化系统、缓解非生物胁迫、参与信号转导和细胞代谢等多种功能31。研究发现MT 能够调节碳氮平衡和抗氧化系统，上调了雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）中虾青素、脂肪生成和抗氧化系统相关基因的转录水平，并降低了非生物胁迫诱导的 ROS 水平31。同时，MT 的应用也会诱导微藻中内源植物激素的水平，包括提高 GA 的含量但降低 ABA 的含量，此外还上调核酮糖 1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶基因（rbcL）和乙酰辅酶 A 羧化酶（accD）基因的表达水平32。2 外源植物激素在微藻生长和目标产物积累中的应用2.1 外源植物激素对微藻生长和储能物质积累的影响微藻中储能物质包括碳水化合物和油脂，可作为生物乙醇和生物柴油的生产原料，其含量的高低直接影响着生物燃料的生产成本。通常非生物胁迫条件能够有效诱导储能物质的快速富集，但会限制其生长，如何有效在逆境条件下促进藻类生物质和储能物质的协同积累是亟需解决的瓶颈。近年来，外源植物激素成为调控微藻生长和油脂积累的有效手段，如 10 mg/L GA 处理海洋微拟球藻（Nannochloropsis oceanica CASA CC201）可 使 其生物量显著增加，并且金枝藻（Phaeothamnion sp.LACW）和 辐 节 藻（Stauroneis sp.LACW）在 100 mol/L 生长素的处理下油脂含量提高了 2 倍33。此外，作者团队研究了 6 种不同植物激素（MT、GABA、IAA、GA、胺鲜酯（DA-6）、黄腐酸（FA）、）对黄丝藻（Tribonema sp.）生长和油脂积累的影响发现，不同的植物激素对该藻的生长代谢调节均有不同程度影响，其中 IAA 对黄丝藻的生长以及油脂的调控有积极作用，即 0.1 mg/L IAA 能使生物量提高 41.4%并且油脂含量提高 30.9%（数据未发表）。多项研究表明，外源植物激素可通过调控胞内的碳流分配来影响储能物质的积累，当 IAA 添加量升高至 20 mg/L 时，C.vulgaris 中油脂含量显著增加，而多糖含量下降到 28.94%8。并且 MT 可显著上调单针藻（Monoraphidium sp.QLY）中脂质生物合成途径中关键基因的转录水平，使得总脂含量提高到51.74%34。在氮胁迫条件下也有同样的调节规律，IAA（7.5 mg/L）、GA（10 mg/L）、激动素（K）（10 mg/L）处理索罗金小球藻（Chlorella sorokiniana）后，生物量分别提高了 45.55%、35.94%和 37.37%，并且发现 accD 和 rbcL 的表达存在不同程度增加35。外源植物激素对微藻的生长代谢存在剂量依赖效应和构效关系。一般而言，低浓度激素可有效促进细胞生长分裂，而高浓度则产生抑制作用。Madani 等36发现，4 mg/L GA3可促进球等鞭金藻（Isochrysis galbana）获得最高生物量，但浓度 6 2023,39(6)65李苑虹等：外源植物激素调控微藻生长及目标产物积累研究进展mg/L 会抑制生长；同样，tZ 的浓度 0.1 mg/L 时才会促进螺旋藻（Spirulina）生长，而 10 mg/L 时则会抑制细胞生长37。同时，植物激素的结构类型对藻类油脂积累的调控效果不同，如 Singh 等38将 3种不同结构类型的生长素（IAA、IBA、IPA）添加到栅藻（Desmodesmus sp.JS07）的培养体系中发现，IBA 更具促进效果，其生物量和脂质含量分别提高到（1.96 0.11）g/L 和（34.88 3.87）%。此外，由于不同藻株对植物激素的敏感性不同，外源植物激素对微藻的调节作用具有物种特异性。有研究用100 mo/L MJ 处理 4 株不同微藻发现，脂质含量增加程度不同，相比咸胞藻（Brachiomonas submarina APSW）下降了 5%，Stauroneis sp.和 Phaeothamnion sp.的脂质含量却均增加了 2 倍及以上，并且蹄形藻（Kirchneriella aperta DMGFW）脂质含量提高了15%39。然而，不同外源植物激素对藻类的作用效果具有独特性，在特定条件下使用单一植物激素往往可能产生负面影响，如 ABA 和 ET 都能增强微藻胁迫耐受性，但 ABA 也是一种生长抑制剂40，当作用于 H.pluvialis 时会减缓生长并诱导绿色营养细胞过渡到囊肿期41。因此，不同植物激素的联合处理可以弥补单一植物激素的负面影响，通过优势互补来同步提高微藻生物量和储能物质产量。Singh等38发现相比单独使用 IBA 或 BAP，将 IBA（10 mg/L）和苄氨基嘌呤（BAP）（5 mg/L）联合处理将获得最高生物量和脂质含量，分别为（2.340.03）g/L 和（42.431.88）%，表明 IBA 和 BAP 对提高生物量和油脂含量存在协同作用。除此之外，限氮条件下，用 10 mg/L IAA 和 K 处理脂球藻（Graesiella emersonii NC-M1）将获得的最高生物量和脂质产量，相对于限氮条件分别增加了 131%和 158%，并且发现甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）和二酰基甘油酰基转移酶基因（DGAT）的表达分别提高了 5.2 倍和 3.17 倍42。同样，相比于单一激素处理，Z（0.5 mg/L）、IAA（1.0 mg/L）和 GA（5.0 mg/L）的优化组合将绿藻（Acutodesmus obliquus）脂质生产力提高了 1.65 倍43。因此，在非生物胁迫下，多种外源植物激素的联合使用可能比单一植物激素更有效地促进微藻生长和脂质生产。表 1 总结了不同植物激素对微藻生长和目标产物积累的调控效应。2.2 外源植物激素对微藻脂肪酸组成和含量的 影响微藻是多不饱和脂肪酸 EPA 和 DHA 的重要生物来源，具有重要营养价值。此外，微藻胞内脂肪酸组成也影响着生物柴油的品质。因此，改善胞内脂肪酸组成或提高功能脂肪酸的含量对拓展藻类生物质在能源和药食领域的应用具有重要意义。多项研究证实，利用植物激素处理微藻可有效优化脂肪酸组成，并通过上调脂质合成途径中相关基因的表达，靶向促进-3 不饱和脂肪酸的富集，如 Udayan等54发现 N.oceanica CASA CC201 在 40 mg/L SA 处理量下可有效提高-3 脂肪酸去饱和酶的活性，使得 EPA 含量增加了 14.56%；植物激素加速了葡萄糖的利用、减少了糖酵解和 TCA 循环，从而增加了脂肪酸生物合成的产物。研究发现在 4 mg/L GA 处理下 DHA 产量增加了 79.1%，其生长量、脂质和DHA 产量均达到最大值55。利用植物激素处理能明显缓解微藻非生物胁迫所导致的氧化应激，通过抑制脂质过氧化而提高胞内 DHA、EPA 的比例。K、JA 和 GA 可减轻微藻的脂质过氧化程度，同时，还发现不同外源植物激素之间存在协同作用并能有效提高-3 脂肪酸含量54。除了积累-3 不饱和脂肪酸之外，添加外源植物激素可以提高微藻中 SFA、MUFA 含量，改善微藻作为生物柴油原料的品质。研究发现，IAA 的外源添加导致C.sorokiniana的单不饱和脂肪酸（MUFA）含量增加，而 K 和 GA 的添加导致饱和脂肪酸（SFA）含量增加35。Mandal 等42发现 10 mg/L IAA 和 K联合处理下，G.emersonii 的 MUFA 含量增加 179%，G.emersonii NC-M5 的SFA提高了 37.22%。除此之外，IBA 可作为诱导微藻生物柴油生产的植物激素。通过 IBA 诱导后的 Chlorella sp.生产出与生物燃料相关的重要化合物（乙苯、邻二甲苯、苯、1,2,4-三甲基和癸烷等）56。以上研究表明，用植物激素处理可有效地促进单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的生产。因此，根据所需脂肪酸可以来制定植物激素提高所需脂肪酸的调控策略，将有利于提高微藻的品质及营养价值。生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.666表 1 植物激素调控微藻生物质和储能物质积累Table 1 Phytohormones regulating the accumulation of microalgae biomass and energy storage substances植物激素 Phytohormone 名称Name剂量Dosage微藻Microalgae培养条件 Cul-ture condition结果Results参考文献Reference生长素 AuxinsIAA10-5 mol/L斜生栅藻 Scenedesmus obliquus BBM生物量增加了 1.9 倍14IAA20 mg/L栅藻 Scenedesmus sp.SDEC-8索罗金小球藻Chlorella sorokinianaSDEC-18BG11SDEC-8 和 SDEC-18 的生物量分别提高了 59.3%和 76.6%44IBA10 mg/L栅藻 Desmodesmus sp.BG11生物量和脂肪含量分别提高至（1.960.11）g/L 和（34.883.87）%38IAA5 mg/L海洋微拟球藻Nanochloropsis oceanicaF/2脂肪含量提高了 149.4%45IBA15 mg/L普通小球藻 Chlorella vulgaris BB生物量增加了 340%。脂质和蛋白质分别增加 300%和 351%46IBA15 mg/L普通小球藻 Chlorella vulgaris BB生物量较对照提高了 329%细胞分裂素 CytokininBAP10 mg/L栅藻 Desmodesmus sp.BG11生物量和脂质含量分别为（1.880.061）g/L 和（31.841.33）%，提高了 329%38Z0.1 mg/L绿藻 Acutodesmus obliquusBG11生物量增加了 60.7%47赤霉素 GibberellinGA310 mol/L普通小球藻 Chlorella vulgarisF/2细胞密度增加了 142%48GA3100 mol/L金藻 Chrysophyte单胞藻 Monodopsis subterraneanBBM生长后期，生物量产量和 TFA 产率分别提高了 3.3 倍和 3.9 倍，EPA 产率提高了 3.2 倍49脱落酸 Abscisic acidABA1.0 mg/L普通小球藻 Chlorella vulgaris BBM脂质含量为对照的 1.8 倍50ABA10 mg/L小球藻 Chlorella sp.BG11脂质含量为 30.31%，而对照组脂质含量仅为 21.23%51水杨酸 Salicylic acidSA10 mg/L普通小球藻 Chlorella vulgaris BBM脂质含量为对照组的 1.6 倍52茉莉酸 Jasmonic acidMeJA1 mol/L金藻 Chrysophyte单胞藻 Monodopsis subterraneanBBM生长后期，生物量累积至 2.7 倍49JA0.5 mg/L普通小球藻 Chlorella vulgaris BBM脂质含量是对照组的两倍50油菜素甾醇 Brassinos-teroidEBL1 mol/L绿藻 Acutodesmus obliquusBBM与对照组相比，细胞数量增加了99%；蛋白质水平上升了 148%52褪黑素 MelatoninMT10 mol/L单壳缝藻 Monoraphidium sp.BG11脂质含量增加 1.44 倍34其他植物激素Other phytohormone2,4-D1 mg/L蛋白核小球藻 Chlorella pyrenoidosa城市污水摇瓶培养微藻生物量和脂质产量的增加最为明显，分别为（0.860.04）和（0.460.02）g/L，较之分别增加了89.7%和 76.5%53室外培养使用高度为 0.50 m、直径为 0.06 m 的玻璃柱生物反应器其最大生物量为（1.2030.056）g/L，比对照组高 80%2.3 外源植物激素对微藻类胡萝卜素生产的影响环境胁迫条件除了影响微藻脂质和脂肪酸组成外，还会促进类胡萝卜素的积累，例如-胡萝卜素、-胡萝卜素、虾青素、叶黄素、玉米黄质、紫黄质、岩藻黄质等57，保护藻体中的叶绿体免受 ROS 侵害。研究发现，不同种类及浓度的植物激素诱导微2023,39(6)67李苑虹等：外源植物激素调控微藻生长及目标产物积累研究进展藻生产类胡萝卜素的响应不同。Gee 等39发现不同浓度的 MJ 和 SA 不同程度调节类胡萝卜素组成，10 mol/L MJ 处理 K.aperta DMGFW 显著增加了叶黄素的含量，而 100 mol/L MJ 则显著增加玉米黄质的含量；70 mol/L SA 处理 B.submarina APSW 时，叶黄素水平最高，而 250 mol/L SA 显著增加玉米黄质的含量。同时 Alsenani 等58发现类胡萝卜素的类型受生长素浓度的影响。在 5-100 mol 生长素内，紫黄素的相对量通常随剂量增加而增加，-胡萝卜素的相对量减少，叶黄素的比例则随剂量增加基本保持不变。除此之外，Mousavi 等59发现使用 1 mol/L K 和 IAA 联合处理对盐生杜氏藻（Dunaliella salina）类胡萝卜素含量的增加存在协同作用，使其-胡萝卜素含量和细胞生长速度最高。植物激素通过上调类胡萝卜素相关基因的表达来促进类胡萝卜素在藻体内的积累，如 Alsenani 等58发现 IAA 对Chlorella sp.中类胡萝卜素的积累有积极作用，并发现 MEP 和类胡萝卜素通路中几个限速转录的表达上调，包括 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶基因（DXS）、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶基因（DXR）、异戊烯焦磷酸基因（IPI）和香叶基香叶基焦磷酸合酶基因（GGPS）。植物激素对微藻类胡萝卜素生产具有物种特异性。其中虾青素的生物活性对人体有益，而雨生红球藻（H.pluvialis）作为虾青素的主要生产原料，因 此，有不少研究应用外源植物激素调控 H.pluvialis生 产 虾 青 素，如 Ding 等60发 现 MT 处 理 使 H.pluvialis 虾青素含量增加了 2.25 倍。Zhao 等61用5 mg/L FA 处理后，H.pluvialis 的虾青素含量增加 86.89%。Lee 等62发现用乙烯不可缺少的前体分子环丙烷氨基酸（ACC）促进了 H.pluvialis 生长的同时也促进虾青素的积累，发现在 1 mmol/L ACC 处理下，虾青素的积累增加约 1.8 倍。同时，一些植物激素可以作为构成虾青素网络的信号分子。Lu 等28用 MJ 和 GA3处理的 H.pluvialis 积累更多的虾青素，并发现 MJ 和 GA3处理上调了-胡萝卜素酮酶基因（bkt）的转录，并且在 bkt 基因 5-侧翼区域中鉴定出了 MJ-和 GA3-反应性顺式作用元件。由此，可以证实 MJ 和 GA3构成虾青素积累网络中的信号分子。3 外源植物激素增强藻类抗逆性及促进脂质积累的可能机制非生物胁迫（缺氮、高光、高盐等）引起活性氧迸发是造成胞内氧化和抗氧化系统失衡的重要原因。外源植物激素作为一类多效应功能的小分子物质，一方面可直接作为抗氧化剂发挥抗氧化作用，而另一方面则可通过调控信号传导途径激活抗氧化系统，涉及到相关基因的表达、信号分子的转导，以及微藻中内源植物激素的响应等，从而减轻胁迫条件下的氧化应激而促进生物质和目标产物的协同积累（图 2）。图 2 外源植物激素介导的微藻非生物胁迫耐受和脂质积累的可能机制Fig.2 Feasible mechanism of exogenous phytohormone-mediated abiotic stress tolerance and lipid accumu-lation in microalgae3.1 提高抗氧化水平微藻在胁迫条件下不可避免地会产生 ROS，包括过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子（O2-）、过氧自由基（L