雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)是一种淡水单细胞绿藻,其最大特性是在特定条件下可积累大量虾青素。而虾青素是一种具有高度商业应用价值的天然超强抗氧化剂,被广泛应用于水产养殖、食品工业、医疗卫生、化妆品及保健品等领域。研究表明,雨生红球藻在光处理、高温、高盐和营养缺乏等胁迫条件下可在胞内合成、积累虾青素,积累量最高可达细胞干重的3-5%。其中,光处理是虾青素生成的主要因素。雨生红球藻如何感受光照,光信号如何在细胞内传导并激活藻细胞内的虾青素合成代谢,是国际研究领域的热点问题。在高等植物和莱茵衣藻中,研究结果表明光受体介导的信号通路可调控类胡萝卜素代谢相关功能基因的转录水平。因此光受体信号转导可能是雨生红球藻细胞在光处理下产生虾青素的关键途径,本研究的主要任务是鉴定雨生红球藻中可能存在的光受体并对其进行功能研究。本研究的主要任务是鉴定雨生红球藻的光受体并研究其功能。本文研究不同光质处理对雨生红球藻细胞增殖和胞内虾青素积累的影响,并首次克隆了雨生红球藻视紫红质光受体HpChR1、HpHKR2和隐花色素光受体HpCRY4,以及紫外光受体HpUVR8的等基因,进而最终对光受体基因HpChR1和HpCRY4的生物学功能进行了深入分析,具体实验结果如下:(1)本文深入探索了在不同光质处理下的雨生红球藻的生物学特性。生长速度、最大光合效率和实际光合效率等数据表明,红光能促进雨生红球藻细胞增殖,但对其胞内积累虾青素无明显促进作用;蓝光促进藻细胞增殖的作用不显著,但显著增加了胞内虾青素的积累,与已经报道的研究结果一致。(2)在对已知莱茵衣藻光受体蛋白保守结构域序列信息分析的基础上,从雨生红球藻转录组数据中挖掘出11个光受体EST。再结合RT-PCR和RACE等技术,成功获得视紫红质光受体HpChR1、HpHKR2和隐花色素光受体HpCRY4基因全长,以及紫外光受体HpUVR8的ORF框全长序列。并对所有蛋白序列进行了各种生物信息学分析,包括三维构象、功能结构域、磷酸化位点和翻译后修饰的识别序列等等。(3)蓝光受体HpChR1的功能研究结果表明,与莱茵衣藻的CrChR2相似的是,HpChR1蛋白具有七个跨膜区域和两个疑似Med15功能结构域。但不同于CrChR2的是,HpChR1主要定位于内质网,是调控内质网的钙离子的通道蛋白。而蓝光激活HpChR1的钙离子通道功能,引起细胞内钙离子信号转导过程,亦或者蓝光影响细胞核内的少量的HpChR1,二者皆导致虾青素合成相关基因的表达。另外,使用酵母双杂交技术筛选出五个HpChR1的互作蛋白,其中Ran蛋白可能是协助HpChR1进入细胞核的因子,RACK1蛋白可能与HpChR1调控的基因表达过程相关。(4)蓝光受体HpCRY4的功能研究结果表明,HpCRY4亚细胞分布具有显著的周期性。含量伴随着细胞周期呈逐渐下降的趋势。G1期时细胞核内HpCRY4含量最高,在G1/S过渡过程中,HpCRY4含量会显著下降,而进去M期后,HpCRY4完全被降解。进一步的酵母双杂交实验发现,HpCRY4能与E3泛素连接酶COP1结合,这可能是导致HpCRY4随细胞周期被降解的重要原因。此外,HpCRY4的N端点突变实验表明APC/C可能是HpCRY4的降解识别序列。本研究证明了雨生红球藻存在多种光受体,并且对其中两个蓝光受体HpChR1和HpCRY4的功能研究结果表明,光受体介导的光信号转导在钙离子信号通路、基因表达调控以及细胞有丝分裂过程起到重要作用,而这些都与虾青素合成密切相关,因此本研究为诠释光诱导的虾青素的合成机制奠定了重要基础。