杜氏盐藻(Dunaliella salina,D.salina)是一类可在高盐、高光和营养胁迫条件下,大量积累类胡萝卜素的无细胞壁单细胞绿藻。本文研究了营养元素缺乏胁迫对D.salina生长、光合呼吸作用、类胡萝卜素积累量、抗氧化酶活性、关键酶基因表达量及小分子代谢物的影响规律,为D.salina高产类胡萝卜素提供了新的策略和理论依据。在不同营养元素胁迫条件下,氮元素胁迫(-N)对D.salina的作用最为明显,其次是磷元素胁迫(-P),而硫元素胁迫(-S)仅在生长前期影响较为显著,而在后期影响效果逐渐减弱。当同时缺乏多种营养元素时,对D.salina的生理生化特性的影响有明显的加强效应,尤其是氮磷元素其缺乏(-N-P)、氮硫元素其缺乏(-N-S)条件下这种累加效应在类胡萝卜素及β-胡萝卜素的积累量上表现的更加明显;并且在营养胁迫条件下,细胞先利用胞内储存的营养进行细胞生长,当细胞内营养出现不足时,其生长就减慢甚至停止,并合成一些特殊的物质来保护细胞。利用Real-Time PCR对D.salina类胡萝卜素合成途径中关键酶基因的表达水平进行研究,结果表明,虽然-N-P、-N-S、氮磷硫元素其缺乏(-N-P-S)条件下,类胡萝卜素及β-胡萝卜索(β-carotene)的含量和单独缺乏某种元素相比均有明显提高,类胡萝卜素合成途径中的关键酶基因的表达水平却出现下调的现象。利用基于GC-MS代谢组学对D.salina胞内小分子代谢物进行研究,结果表明营养胁迫下细胞中碳代谢、脂代谢和氨基酸代谢相关物质含量发生了改变,但不同营养胁迫条件下检测到的代谢物类似,并且主要的记性代谢物均为脂肪酸、氨基酸和糖类,例如十六烷酸、脯氨酸和蔗糖等。其中硫元素的缺乏严重抑制了尿素循环,而-N-P-S对三羧酸循环(TCA循环)、尿素循环及氨基酸的合成均造成抑制。但是胁迫条件下,细胞活性保护物质,如脯氨酸、谷氨酸和某些单糖,以及蔗糖、脂肪酸的含量,均有提高,并且胞内的2-酮戊二酸的含量也均有增加,有明显转向合成类胡萝卜素的趋势。综上可知,不同营养胁迫条件均会造成D.salina的生理生化特征的变化,并且多种营养共缺乏时,类胡萝卜素和β-胡萝卜素的含量会表现出明显的累加效应,但是与之对应的基因的表达水平并没有呈现出相同的累加效应,表明了类胡萝卜素含量的增加是转录和翻译水平的共同结果。从胞内小分子代谢物变化来看,硫元素的影响大于其余两种元素,并且细胞在处于营养胁迫条件下,细胞更偏向于合成蔗糖、麦芽糖、有机酸等碳水化合物,并转向类胡萝卜素的合成,而且细胞活性保护物质也会有所增加。