蝦青素是一種具有著色、抗氧化、保健等多種功能的酮類胡蘿蔔素，廣泛應用於水產養殖、食品、化妝品、保健、製藥等行業。自然界中雨生紅球藻是蝦青素積累量最高的微藻。目前，蝦青素需求不斷增大，且價格昂貴，需要透過技術開發提高雨生紅球藻生長速率及蝦青素產量以滿足需求。

低溫等離子體可以產生多種活性物質，並引起多種生物學效應。前期，中國科學院合肥物質科學研究院技術生物與農業工程研究所研究員黃青課題組利用低溫等離子體技術，在微生物滅菌、食品安全和誘變育種方面取得一系列進展。近期，課題組發現低溫等離子體在適當條件下能刺激雨生紅球藻生長及蝦青素積累，相關研究成果發表在Bioresource Technology Report。

研究人員透過分析不同低溫等離子體處理劑量對雨生紅球藻的生長、生物量的影響，得到低溫等離子體放電處理最佳化條件。透過轉錄組學方法分析發現低溫等離子體可透過氧化脅迫機制，調節雨生紅球藻體內吲哚-3-酸(IAA)、玉米素、赤黴素(GA)等激素的合成、代謝和轉運，刺激雨生紅球藻生長並提高體內蝦青素積累。

該研究為提高雨生紅球藻的生長和蝦青素的積累建立了新方法，對認識雨生紅球藻生長刺激機制提供了新視角。

該研究得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金資助。

低溫等離子體處理雨生紅球藻裝置及實驗過程示意圖

低溫等離子體刺激雨生紅球藻生長和蝦青素積累的機制示意圖

延伸：合肥研究院在利用等離子體獲得高產蝦青素雨生紅球藻的育種研究方面取得進展

中國科學院合肥物質科學研究院技術生物與農業工程研究所研究員黃青課題組之前利用低溫等離子體誘變技術篩選出一株生長速度快、蝦青素高產的雨生紅球藻突變株M3。2019年，課題組與中科院煙臺海岸帶研究所研究員秦松課題組合作，透過測量和比較藻株生長、光合作用效率、蝦青素產量、相關色素和脂肪酸代謝水平以及轉錄組學等揭示了強光脅迫條件下M3突變藻株高產蝦青素的相關機制。相關研究成果發表在國際藻類期刊Algal Research。

課題組研究結果表明：強光脅迫條件下，M3突變株在碳固定和光保護方面優於野生株。相較於野生株，強光脅迫誘導M3突變株中C4和景天酸代謝(CAM)途徑中磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)基因表達上調，由此增加對大氣中二氧化碳固定，提高蘋果酸脫氫酶 (MDH)和蘋果酸酶 (ME)的表達，實現二氧化碳再生和丙酮酸鹽(Pyruvate)的積累；再生二氧化碳經過RuBisCO固定進入C3途徑，合成3-磷酸甘油酸。此外，在M3突變體中，C3途徑中3-磷酸甘油醛脫氫酶(GADPH)基因表達上調和果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)基因表達的下調，使得3-磷酸甘油醛(G3P)得到積累。丙酮酸鹽(Pyruvate)和3-磷酸甘油醛(G3P)是類胡蘿蔔素和脂肪酸合成前體。脂肪酸含量結果說明M3藻株具有較高的脂肪酸積累，脂肪酸積累有利於蝦青素積累與儲存，說明M3藻株相較於野生株能高效地利用空氣中二氧化碳來合成蝦青素和脂肪。同時，強光脅迫提高了M3藻株的光呼吸途徑來增加類胡蘿蔔素合成，進而增加M3藻株中蝦青素及其它類胡蘿蔔素如葉黃素和β-胡蘿蔔素的積累並提高M3藻株的光保護作用，而一般野生藻株在蝦青素產量不足的條件下主要是透過非光化學淬滅（NPQ）機制來抵禦光氧化損傷。該研究得到國家自然科學基金專案資助。

強光誘導M3藻株高產蝦青素機制圖