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雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）是一種單細胞綠藻，因其在誘導條件下可積累占細胞干重5%以上的蝦青素而具有較高的應用價值。但是在其規模化培養過程中，容易遭受寄生性真菌（Paraphysoderma sedebokerense）的感染，造成藻細胞死亡和培養崩潰，給工業化生產帶來嚴重的經濟損失和資源浪費（圖1）。由于該寄生性真菌的感染機理尚不清楚，研發人員難以針對性地制定防治辦法，很大程度上限制了雨生紅球藻規模化養殖產業的發展進程。
中國科學院水生生物研究所的韓丹翔研究員團隊以P. sedebokerense感染雨生紅球藻的細胞互作體系為研究對象，通過一系列生理生化實驗結合多組學分析，在基因表達和代謝物水平解析了真菌感染雨生紅球藻的作用機理。同時，基于對感染機理的理解，篩選出一種安全性高且環境友好的真菌抑制劑，在雨生紅球藻的規模化養殖應用過程中展示出極為有效的真菌抑制效果，為藻類規模化培養工藝中的污染控制模塊提供了新的思路和借鑒。
該研究團隊發現，在真菌感染雨生紅球藻的過程中會向環境中釋放一些熱穩定性的小分子化合物，這些物質可通過氧化脅迫降低雨生紅球藻細胞對真菌感染的抵抗能力，大大加快真菌的感染進程。利用代謝組學分析篩選到一些次生代謝產物如3-羥基鄰氨基苯甲酸（3-HAA）和大麥芽堿（hordenine）等，在感染過程中顯著積累。通過離體和在體理化實驗表明，這兩種化合物可分別還原環境中的三價鐵離子為二價鐵離子以及生成過氧化氫，進而介導芬頓反應（Fenton reaction）產生活性氧族分子羥自由基。羥自由基對雨生紅球藻造成氧化脅迫壓力，損傷藻細胞膜結構、降解胞內大分子物質、擾亂細胞的基因表達，從而降低藻細胞對真菌感染的抗性，加快真菌感染進程。
在該發現的基礎上，研究團隊從食品添加劑中篩選到一種綠色安全的抗氧化劑丁基羥基茴香醚（BHA），在較低的濃度（7ppm）時能夠有效抑制P. sedebokerense的感染，進一步說明氧化脅迫是真菌感染宿主細胞所使用的一種重要的侵染策略（圖2）。
以上研究結果以“Oxidative stress facilitates infection of the unicellular alga Haematococcus pluvialis by the fungus Paraphysoderma sedebokerense”為題，發表于Biotechnology for Biofuels and Bioproducts，水生所韓丹翔研究員和胡強研究員為論文通訊作者，嚴海龍博士和馬海燕博士為論文共同第一作者。該研究獲得國家自然科學基金（31570304，31700359）和湖北省自然科學基金（2015CFA022）的項目資助。
論文鏈接：https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-022-02140-y
圖1 雨生紅球藻的發育形態和真菌感染的細胞學過程。A，雨生紅球藻的不同細胞形態。B，真菌感染雨生紅球藻紅孢子及綠孢子的細胞學過程。標尺為10微米。
圖2 次生代謝產物促進真菌感染雨生紅球藻的作用機制模式圖