天然虾青素（Astaxanthin）被誉为“抗氧化剂之王”，是一种具有超强抗氧化性能的酮式类胡萝卜素，已被广泛用于食品、保健品、药品、化妆品和饲料工业等领域。单细胞真核绿藻-雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）是生产天然虾青素的最佳生物资源，是富含极高营养价值和药用价值的经济微藻。因此，破译雨生红球藻基因组所蕴含的遗传信息，对于红球藻优良藻种选育、虾青素合成途径优化及天然虾青素产业发展等方面均具有特别重要的意义。

2023年8月3日，深圳大学生命与海洋科学学院胡章立教授/石琼教授团队在Nature出版集团旗下期刊《Scientifi Data》（影响因子：9.8）发表题为“A chromosome-level genome assembly for the astaxanthin-producing microalga Haematococcus pluvialis”的研究论文。研究利用三代PacBio以及Hi-C测序技术辅助组装获得了染色体水平的雨生红球藻高质量基因组图谱。该单倍型基因组大小约316.0 Mb，包含32条染色体，contig N50为304.8kb，注释到32416个蛋白编码基因。全基因组系统发育分析表明，雨生红球藻与单细胞真核绿藻-莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的分化时间约为520.4Mya（百万年前），而绿藻与以虫黄藻（Fugacium kawagutii）为代表的甲藻的分化时间约为564.7Mya。可见，绿藻属物种诞生之后不久雨生红球藻即与莱茵衣藻发生进化分歧。比较基因组学研究发现，雨生红球藻基因组编码4592个基因家族存在扩增现象，26300个基因家族发生了一定程度的收缩。β-胡萝卜素酮化酶基因（BKT）是雨生红球藻以β-胡萝卜素为底物合成虾青素的关键酶。雨生红球藻基因组共携带5个BKT基因。其中，26号染色体上存在BKT1、BKT2和BKT3等3个串联的BKT基因簇。转录组学分析表明，强光显著上调BKT1、BKT2和BKT3的转录水平，指明了强光诱导串联基因簇BKT1/2/3表达继而促进虾青素大量合成的分子机制。有趣的是，5个BKT基因具有相似的基因结构，编码的蛋白序列高度保守。此外，研究发现，雨生红球藻基因组中其它类胡萝卜素合成酶基因也存在不同程度的多拷贝现象。雨生红球藻基因组共编码3个八氢番茄红素合成酶基因（PSY）、3个ζ-胡萝卜素脱饱和酶基因（ZDS1）和8个β-胡萝卜素羟化酶基因（CHYB）。其中，另一个虾青素合成关键酶CHYB基因的8个拷贝主要集中于13号染色体和25号染色体，也表现出基因聚集现象。该研究公布了雨生红球藻高质量基因组测序结果，获得了染色体级别的高质量雨生红球藻参考基因组，探讨了虾青素生物合成途径关键因子功能亚分化的遗传基础，为红球藻属种质资源的开发利用和虾青素生物合成途径的分子设计提供了重要参考。

雨生红球藻染色体级别组装以及藻类代表物种进化树

深圳大学生命与海洋科学学院胡章立教授和石琼教授为论文的共同通讯作者，深圳市华大海洋研究院卞超副研究员和深圳大学生命与海洋科学学院刘承龙博士后为论文的共同第一作者；深圳大学生命与海洋科学学院张桂英博士后、陶明副研究员、黄丹琼副研究员、娄素琳助理教授、王潮岗副教授、李辉教授等参与了本项目研究工作。

该研究得到国家重点研发计划项目（2018YFA0902500）、国家自然科学基金项目（32273118）、广东省重点领域研发计划项目（2022B1111070005和2020B121202014）、深圳市科技计划项目（KCXFZ20211020164013021）、深圳大学2035计划项目（2022B010）和农业农村部热带亚热带水产资源利用与养殖重点实验室开放基金课题（20220202）等项目资助。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41597-023-02427-1