PNAS | 西湖大学李小波/曹天骏团队揭示海洋藻类类胡萝卜素代谢关键一步：保守乙酰化修饰暗藏功能分化

地球上大约一半的光合作用发生在海洋中。海洋微藻作为海洋生态系统的初级生产者，支撑着整个海洋食物链的运转，并驱动着全球碳循环的动态平衡，是调节气候变化的重要力量。与陆生植物相比，海洋藻类在长期演化过程中适应了水下蓝绿光为主的光照环境，演化出一套独特的光合捕光策略（图1），其中富含的结构复杂的乙酰化类胡萝卜素是核心特征。这类色素不仅能高效捕获蓝绿光，驱动光合作用，还因其卓越的抗氧化和代谢调节能力，成为营养健康领域备受瞩目的海洋“软黄金”。

图1 海洋藻类的多样性与生态功能示意图（杨雨青博士绘）。中心插图对比了绿色植物和海洋藻类在色素组成与捕光光谱上的差异。

岩藻黄素（Fucoxanthin）与多甲藻黄素（Peridinin）等海洋特征类胡萝卜素的乙酰化修饰是实现其结构特化与功能适配的关键环节，直接决定了色素的光吸收特性与生理功能。然而，催化这一关键步骤的酶分子，在过去一个世纪的研究中始终未被鉴定，成为海洋藻类光合色素代谢领域的一大未解之谜。此外，不同藻类类群之间的类胡萝卜素图谱存在显著差异，其背后的分子调控机制与进化规律亦缺乏清晰认知。

近日，西湖大学生命科学学院李小波团队在PNAS上发表了题为An acetyltransferase family required for biosynthesis of diverse marine carotenoids的研究论文（图2），该研究首次鉴定出海洋微藻类胡萝卜素合成通路中负责“乙酰基化修饰”的关键酶——叶黄素乙酰基转移酶（XACT），阐明了其催化机制与进化特征，并提出更为灵活的类胡萝卜素“多分支”生物合成路径（图3）。这一发现突破了以往对海洋藻类光合色素代谢的传统认知，为理解海洋光合系统的多样性起源提供了分子层面的重要拼图。

图2 文章截图

图3 不同海洋藻类中类胡萝卜素合成途径示意图

为解开这一谜题，研究团队以模式硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）为研究对象——这一物种是海洋硅藻中光合色素代谢研究基础最为系统的经典模型。团队对硅藻基因组中的候选基因开展大规模筛选与功能验证，最终锁定一个编码乙酰基转移酶的基因，命名为叶黄素乙酰基转移酶（Xanthophyll acetyltransferase，XACT)。当该基因被敲除后，三角褐指藻完全丧失了合成岩藻黄素的能力，导致平板上的克隆与培养液颜色由典型的褐色变为绿色，生长速度也明显下降（图4），从而证明XACT是硅藻岩藻黄素生物合成中乙酰化修饰的关键催化酶。

图4 乙酰基转移酶突变体（S32）的生理表型（A、B、D）与色素组成分析（C）

进一步的系统发育学分析与体外生化实验揭示了XACT蛋白的进化与功能特征。来自不同海洋藻类的XACT同源蛋白序列相似度较低，但均能催化多种类胡萝卜素底物，且在底物偏好性与催化效率上表现出显著分化（图5A）。这种进化中的功能分化决定了不同门类海洋藻类特有的色素谱图，构成了海洋类胡萝卜素多样性的分子基础。此外，体外实验表明，XACT在丙酰辅酶A存在时可催化生成丙酰化修饰的岩藻黄醇（图5B），展现出该酶家族灵活的酰基供体兼容性，为类胡萝卜素的结构修饰提供了更多可能性。更具应用价值的是，团队在烟草系统中成功实现XACT的异源表达，并获得新的乙酰化类胡萝卜素产物，证实该酶在改造陆生植物光合色素组成、优化代谢流等方面具有跨界应用潜力。

图5 （A）不同藻类来源的XACT对岩藻黄醇、新黄素等底物的催化效率存在显著差异（图中横坐标字符对应图3中化合物名称）；（B）XACT催化的岩藻黄醇的体外丙酰化反应

基于上述发现，团队提出了海洋藻类类胡萝卜素的“多分支”生物合成新模型：XACT乙酰基转移酶家族成员通过进化中的功能分化，对不同类胡萝卜素底物形成差异化的催化偏好，从而在不同藻类类群推动多样化类胡萝卜素的合成。这一模型打破了以往对类胡萝卜素线性合成路径的认知，阐释了海洋藻类光合色素多样性形成的分子机制，为理解藻类光捕获系统的进化适配提供了新的理论框架。在应用层面，XACT作为关键的分子元件，可用于拓展陆生植物类胡萝卜素多样性、开展功能色素的人工设计与作物营养强化，为合成生物学与农业生物技术开辟了新方向。

西湖大学生命科学学院李小波研究员为本文的共同通讯作者。曹天骏副研究员为本文第一作者及共同通讯作者。西湖大学博士生白雪纯，博士后尤婷婷、蒋彦酉，德国美因茨大学Martin Lohr教授共同参与了此项研究。本研究得到了西湖大学分子科学公共实验平台陈银娟博士以及西湖大学质谱与代谢平台的技术支持。本研究获得了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、遗传物质表达与重构全国重点实验室、中国博士后科学基金等机构的相关经费支持。

曹天骏博士长期从事光合生物捕光色素生物合成与代谢研究，围绕“海洋藻类光合色素的生物发生”为题开展了一系列研究工作，包括叶绿素c与岩藻黄素生物合成通路的解析，相关成果发表于Science（2023）、Plant Cell（2023）、PNAS（2022, 2026）等期刊上以第一作者（含共同）发表了研究性论文。本次研究在前期通路解析的基础上，精准锁定了海洋类胡萝卜素生物合成的“最终拼图”之一——乙酰基转移酶XACT，标志着这一方向的研究进入新阶段。曹天骏博士目前正积极寻求国内高校及科研机构的“独立研究员（PI/教职）”岗位，并期待在未来组建自己的团队，推动光合生物技术的基础与应用研究走向更广阔的前沿。欢迎各位同行、专家及有意向的招聘单位通过邮件联系：caotianjun@westlake.edu.cn

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2525772123