雨生红球藻（Haematococcus pluvialis，简称红球藻）作为天然虾青素生产的最佳生物来源备受关注。红球藻的规模化培养中广泛采用的是二步法，即首先维持红球藻在绿色游动阶段增加生物量，然后改变培养条件，胁迫诱导虾青素大量积累，最终成为红色不动细胞。以往红球藻中的研究集中于游动细胞转变为不动细胞并积累虾青素的过程，缺乏对其生长繁殖机制的探讨。相较于其他经济微藻如小球藻，红球藻绿色游动细胞分裂速度依然较为缓慢，导致整个培养周期长。而红色不动细胞在适宜条件下可在短时间内萌动分裂快速释放大量游动细胞，细胞扩繁效率远高于绿色游动细胞的分裂。作为一种有潜力的提高培养效率的手段，对于不动细胞快速萌动分裂转为游动细胞的上述过程，目前的认知仍然十分浅显。影响萌动分裂的必要外部条件以及内部物质能量代谢的调控机制尚不清楚。

本研究主要从氮营养调控以及能量角度入手，借助叶绿素荧光分析，转录组和代谢组等手段，通过检测孢子囊形成、游动孢子释放、光合和呼吸初生代谢过程以及线粒体呼吸电子传递链中的交替氧化酶（AOX）途径，重点对该藻不动细胞萌动分裂过程中的物质与能量流的调控机制展开研究。获得的主要结果如下：

（1）研究明确了氮营养是红球藻不动细胞萌动分裂的必要营养条件。当氮营养的浓度低于10 mg/L时，不动细胞萌动分裂和游动孢子的释放受到限制。红色不动细胞在仅含有氮营养的培养基中即可正常萌动分裂，释放大量游动孢子。而在缺氮条件下，尽管在72 h小部分不动细胞可以释放少量游动孢子，但随后孢子囊形成和游动孢子释放均被限制，萌动分裂进程被阻断。结合叶绿素荧光参数及初生代谢组分析发现，缺氮主要限制光合碳同化速率，但对光合电子传递速率影响较小。同时，缺氮条件下，糖酵解途径（EMP），磷酸戊糖途径（PPP），三羧酸循环（TCA）等呼吸碳代谢途径被显著干扰。其中TCA循环中柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸和延胡索酸等中间碳骨架的含量上升，但是甘氨酸、丙氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸等氨基酸含量显著下降。综上所述，缺氮条件下，碳氮代谢出现失衡，无法为DNA复制中核苷酸的合成提供足够的底物。此外，由于谷氨酸的下调，光呼吸途径中有毒物质2-磷酸乙醇酸无法被及时代谢，上调了2.6倍，从而限制萌动分裂过程中呼吸与光合碳代谢进程。

（2）研究了萌动分裂过程中各呼吸途径活性的变化，包括AOX途径，细胞色素（COX）途径和剩余呼吸途径。在不动细胞萌动分裂之初的能量主要由COX途径和AOX途径两条呼吸电子传递链提供，其对总呼吸速率的贡献比例相近，分别为48.6%和44.4%。随着萌动分裂过程的进行，AOX途径活性逐渐升高，培养48 h后AOX途径活性比0 h增加82.8%。COX途径作为一种更高效的ATP生成途径，其在48 h内的稳定活性保证了萌动分裂基本能量ATP的供给。随后在72 h，游动孢子被大量释放，所有呼吸途径的活性都呈下降趋势，表明萌动分裂完成后，释放后的游动孢子对从呼吸代谢中获取碳骨架和ATP的需求减少。

（3）AOX途径的上调反映其在萌动分裂过程中发挥着积极作用。在以上研究基础上，使用AOX特异性抑制剂水杨基羟肟酸研究其在萌动分裂过程中内部能量平衡与代谢调控的关键作用。抑制AOX后，不动细胞萌动分裂随即停滞，且检测到的AOX途径活性与总呼吸速率均显著降低。在AOX途径受抑制的条件下，一方面细胞内还原当量（NADH，NADPH，FADH₂）的含量显著上调，与NADPH相关的氧化还原系统过度激活。另一方面红色不动细胞中与NADH、NADPH、和FADH₂产生相关，用于碳水化合物分解的EMP，TCA，PPP途径以及用于三酰甘油分解的脂肪酸β-氧化和乙醛酸途径的转录水平整体下调。此外，脱落酸途径也参与了AOX调控的代谢激活促进萌动分裂的过程。本研究证实AOX途径可以保证呼吸电子传递链中还原当量的快速消耗，从而加速淀粉及三酰甘油等储存物质通过呼吸代谢途径进行有效分解，为萌动分裂过程中的孢子形成提供能量和碳骨架。

综上，本文研究表明氮营养对萌动分裂过程中光合碳同化以及呼吸碳代谢的正常运行具有重要作用，其次揭示了AOX在萌动分裂过程中通过调节能量代谢来驱动物质快速流动的关键调控机制。本研究有利于加深对红球藻细胞周期调控的理解，同时有利于发展以红色不动细胞为规模种源快速扩繁，有效提高生产效率，革新生产周期的培养模式，为红球藻产业可持续发展提供理论和技术支持。