β-胡萝卜素是重要的抗氧化剂和天然色素,广泛用于保健品、食品染色、饲料添加剂市场,β-胡萝卜素主要由9-顺式和全反式异构体组成,9-顺式/全反式比例越高,抗氧化性和抗癌活性越高,相比于化学合成（仅含有全反式结构）,天然产品（含有9-顺式/全反式结构）更受欢迎。盐生杜氏藻（Dunaliella salina,也称盐藻）可大量积累β-胡萝卜素,其中高光强是促进β-胡萝卜素积累的最主要胁迫方式,但目前缺乏精准的光控制模型,而这对β-胡萝卜素大规模生产具有重要指导意义。同时,深入认识β-胡萝卜素在胁迫条件下代谢途径的变化,以及与光合系统变化的关系,可为强化盐藻β-胡萝卜素积累提供重要理论依据。为达此目的,本文以盐藻为研究对象,利用微藻在线监测平台Algal station对光照周期、光照模式、光照强度、闪光频率、碳源、培养基中微量元素等因素对盐藻细胞生长、β-胡萝卜素积累和光合活性的影响进行了精准、深入、系统的研究,取得了以下成果:1.盐藻生长和β-胡萝卜素积累培养基的优化:以碳酸氢盐作为碳源,优化了Ca2+,Mg2+和微量元素的浓度,发现可以通过改变培养基中Fe3+、Co2+含量来强化β-胡萝卜素积累。在优化条件下,最大生物量浓度为0.71 g·L-1,相应β-胡萝卜素含量为4.76%,β-胡萝卜素产量可达到32.0mg·L-1。同时,利用实时在线检测平台监测了在两种碳源（NaHCO3和CO2）条件下的盐藻生长、β-胡萝卜素积累和光系统Ⅱ的最大化学量子产率（Fv/Fm）的变化,结果表明NaHCO3作为碳源不仅可以更容易地为盐藻生产供碳,同时可显著提高β-胡萝卜素产量,发现NaHCO3培养时Fv/Fm的值比CO2培养中更低,证明了高浓度NaHCO3可以作为β-胡萝卜素积累的一个重要胁迫因素。2.光照模式和周期对盐藻生长和β-胡萝卜素积累的影响:利用微藻在线监控系统Algalstation中的控光平台,模拟户外太阳光照射模式（“正弦波”）与传统实验室光照模式（“方波”和“连续光照”）进行对比实验,在线监测不同光模式下叶绿素荧光参数的实时变化规律,研究了不同光照模式对盐藻生长、β-胡萝卜素积累和光合特性的影响,研究结果表明:相比于其它光照模式,盐藻在模拟夏天光照的正弦波光照模式下β-胡萝卜素产量最高为67.8mgL-1,且夜间生物量损失率最小（4.15%）,Fv/Fm的连续监测揭示不同光照模式下盐藻Fv/Fm周期性波动模式与β-胡萝卜素积累存在强相关性,表明具有光暗周期的正弦波光照模式比持续强光照射更能促进β-胡萝卜素的积累。同时,在强闪光频率50Hz条件下,盐藻细胞通过提高光合系统的电子传递速率（rETR）以及降低热耗散能力（NPQ）来提高光合作用效率,进而积累高含量的β-胡萝卜素（4.82%）。3.细胞微环境光照强度对盐藻生长和β-胡萝卜素积累的影响:建立了盐藻在平板反应器中的光衰减模型,通过Algal station系统精准控制了盐藻β-胡萝卜素诱导过程中的光照强度,根据实验结果通过光衰减模型计算了不同生长时期盐藻细胞的消光系数、散光系数等,确定了其与平均光强度之间的关系。另外,通过控制平均光强度和诱导时间,分析了微环境中每个细胞接受照射的平均光子数（APRPC）与β-胡萝卜素积累之间相关关系。结果表明:Cornet光衰减模型能准确地模拟盐藻在不同生长阶段的光衰减情况。实验发现,当每个细胞接受到的平均光子数达到0.7 μmolphotons cell-1时,才能触发盐藻β-胡萝卜素的显著积累;当每个细胞接受到的平均光子数超过到9.9 μmol photons cell-1时,盐藻细胞中的β-胡萝卜素含量达到饱和（7.24%）,说明通过精确控制反应器中细胞微环境光强度可实现β-胡萝卜素积累的精准控制。最后,建立了基于微环境光强度等多因素影响的盐藻细胞生长与β-胡萝卜素积累的动力学模型,并通过给定培养条件验证了模型的有效性,准确预测了细胞生长和β-胡萝卜素积累。4.深入探究β-胡萝卜素与光合系统之间的关系,以及盐藻中β-胡萝卜素的合成途径。在高光强、高盐度、氮限制等胁迫条件下,检测细胞生长、光系统Ⅱ的最大化学量子产率（Fv/Fm）、热耗散能力（NPQ）、细胞内的活性氧（ROS）表达量、H2O2的表达量,以及细胞中β-胡萝卜素的含量。结果表明,上述胁迫条件下β-胡萝卜素的积累原因都是因为细胞受到氧化胁迫所致。通过添加不同浓度的外源性H2O2,进一步验证了 H2O2对β-胡萝卜素积累的影响。通过转录组学研究ROS在转录水平上对盐藻β-胡萝卜素积累的影响,进一步验证盐藻中β-胡萝卜素积累的分子途径。结果表明:不同的胁迫条件下,Fv/Fm与β-胡萝卜素的积累呈负相关关系（r=-0.924）,NPQ与β-胡萝卜素的积累呈正相关关系（r=0.895）,添加外源活性氧物质可以显著提高盐藻细胞中β-胡萝卜素的积累。转录组学的数据表明,添加外源H2O2通过减缓淀粉合成途径以及加速脂肪酸的降解过程,同时促进β-胡萝卜素积累过程中的限速酶八氢番茄红素合成酶（PSY）、脱氢酶（PDS）和ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）的表达,从而导致β-胡萝卜素的过量积累。本研究精准分析了光照对盐藻中胡萝卜素积累的影响,为建立可控培养体系,实现盐藻中β-胡萝卜素高效稳定积累提供了理论基础,本研究中所采用技术手段有望应用于实际的盐藻β-胡萝卜素生产过程,从而促进其产业发展。另外,这些技术手段和研究方法也为精准研究其它微藻积累各种类胡萝卜素的过程提供了一个范例。