外源性褪黑素通过生理反应缓解盐生杜氏藻（Dunaliella salina）在超声波作用下的应激反应

《Process Biochemistry》：Exogenous melatonin alleviates ultrasound stress in Dunaliella salina via physiological responses

盐生杜氏藻协同超声与褪黑素处理显著提升细胞密度及脂质积累，褪黑素通过增强抗氧化系统缓解超声诱导的氧化损伤，分子机制涉及ME、accD和DGAT1基因上调调控脂质合成通路。

　　

康晓波|刘旭欣|刘长红

教育部生物过程工程研究中心，合肥工业大学食品与生物工程学院，中国合肥230009

摘要

盐生杜氏藻（Dunaliella salina）的工业潜力受到其生物量产量不佳的限制。本研究探讨了超声波（US）和褪黑素（MT）联合处理对D. salina的影响。优化后的联合处理方案（超声波处理4秒，褪黑素浓度为50 μM）使细胞密度显著增加了40.6%，并增强了光合色素和脂质的积累。褪黑素显著增强了抗氧化系统，通过降低活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的水平来减轻超声波引起的氧化应激。在分子水平上，联合处理显著上调了关键的脂质生物合成基因——苹果酸酶（ME）、乙酰辅酶A羧化酶β亚基（accD）和二酰基甘油酰基转移酶（DGAT1）——这些基因是NADPH生成和新生脂质合成中碳流的关键调节因子，从而促进了观察到的效果。这些发现表明，与单独处理相比，褪黑素和超声波的联合应用显著增强了D. salina的生长、脂质、蛋白质和色素的产量，同时褪黑素还缓解了超声波引起的氧化应激反应。

引言

全球社会面临重大挑战，包括化石燃料的枯竭、环境污染加剧以及气候变化，这迫切需要开发可持续的可再生资源和清洁生产技术[1]。微藻由于其高光合效率和快速生长周期、不依赖耕地以及能够利用工业废气或废水而成为一种有前景的生物平台[2]。微藻作为生物燃料生产、高价值化学品合成和碳封存的理想候选者已得到广泛认可[3]。近年来，优化微藻生物量生产，特别是平衡高生长速率与脂质积累之间的平衡，已成为生物能源研究的关键焦点。例如，关于Chlamydomonas reinhardtii在自养和混合营养培养条件下脂质重塑的研究为提高生物燃料潜力提供了新的视角[4]。

在各种微藻中，盐生杜氏藻（Dunaliella salina）因其独特的生物学特性而备受关注，它能够在高盐度环境中（如盐湖、太阳能盐田和沿海盐田）茁壮成长。它是海洋生物的重要食物来源，并产生高价值的代谢产物，包括蛋白质、脂质和β-胡萝卜素[5]。其在食品、医药和生物能源领域的工业应用凸显了其显著的经济潜力[6]。D. salina还具有强大的抗氧化系统和代谢多样性，使其具有很强的环境抗性，成为研究代谢调节和适应机制的宝贵模式生物[7]。

然而，D. salina的生长速率相对较慢，且对不利环境条件非常敏感，这阻碍了生物量的积累和高价值代谢产物的生产[8]。为了解决这些问题，研究人员探索了多种方法，包括物理刺激（如超声波（US）和高光照）以及化学诱导剂[9]。研究表明，适度的应激可以增强生物量积累并显著提高代谢产出[10]。最近的研究证实，褪黑素（MT）作为一种强效抗氧化剂和信号分子，在许多生物体的生长和代谢功能中起着关键作用，显著促进脂质积累并调节微藻中与脂质生物合成相关的基因表达，同时有效缓解氧化应激以优化脂质生产[11],[12]。同时，超声波处理可以通过改善膜通透性和修改光合电子传递链来加速细胞代谢，从而提高营养吸收效率，最终导致更高的细胞密度[13]。然而，以往的研究主要集中在单个应激因素（如植物激素或超声波）的调节效应上，尚未完全阐明多种因素共同作用下的增强机制。因此，本研究以脂质作为主要研究终点，旨在具体验证褪黑素和超声波联合处理可以激活D. salina中脂质生物合成途径的假设。这代表了对新型联合应激/缓解策略下特定代谢产物的靶向研究。

本研究旨在通过系统研究超声波（US）和褪黑素（MT）对D. salina的单独和联合效应来填补这一关键研究空白，重点关注生物量产量、光合色素和脂质积累、抗氧化防御以及涉及脂质生物合成基因（苹果酸酶（ME）、乙酰辅酶A羧化酶β亚基（accD）和二酰基甘油酰基转移酶（DGAT1）的分子机制。通过包括对照组、单独超声波处理、单独褪黑素处理和联合超声波-褪黑素处理的实验设计，本研究不仅评估了这些处理对微藻细胞密度、高价值代谢产物（脂质和色素）合成以及氧化应激水平的影响，更重要的是，创新地将生理分析与基因表达分析相结合，以阐明其背后的增强机制。这项研究超越了以往仅关注植物激素或超声波等单个应激因素调节效应的研究，提出了一种通过物理和化学信号调节微藻生长和代谢产物积累的新策略，为提高微藻生物技术的生产效率提供了新的可持续方法。

部分内容摘录

微藻菌株和培养条件

微藻D. salina（GY-H13）和F/2培养基由中国上海光宇生物科技有限公司提供。初始培养是通过将细胞接种到含有0.6 M NaCl的1.5 L Erlenmeyer烧瓶中的F/2培养基中建立的[14],[15]。培养在受控条件下进行：光照强度为75 μmol/(m2·s)，温度为24 ± 1 ℃，并使用过滤空气进行连续通气7天。为了准备实验处理，

超声波和外源褪黑素处理对D. salina细胞密度和色素含量的影响

为了系统研究超声波（US）和褪黑素（MT）对D. salina的影响，首先进行了筛选实验以确定最佳处理条件。选择第6天的细胞密度作为初步筛选的主要标准，因为它直接且综合地反映了细胞在应激下的生长和健康状况。初步筛选评估了超声波处理时间（0秒、2秒、4秒和8秒）对微藻生长的影响。数据分析显示，超声波处理时间显著

结论

我们的研究表明，低强度超声波和外源褪黑素的应用通过激活互补的生理和分子机制有效增强了D. salina的抗逆性和脂质生物合成能力。褪黑素通过增强关键的抗氧化防御系统（包括酶活性（SOD、CAT、POD）和非酶成分（AsA、GSH、酚类）显著调节了超声波引起的氧化损伤，从而维持了膜完整性并支持了持续生长。

CRediT作者贡献声明

刘旭欣：方法学、概念化。 刘长红：写作——审稿与编辑、方法学、资金获取、数据管理、概念化。 康晓波：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法学、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了安徽省杰出青年自然科学基金（编号2508085J022）、安徽省高校协同创新计划（编号GXXT-2022–073）和中央高校专项资助项目（编号PA2025GDGP0026）的支持。