CN105462844B

CN105462844B - 一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法及其应用

Info

Publication number: CN105462844B
Application number: CN201510943756.4A
Authority: CN
Inventors: 刘天中; 陈林; 王俊峰; 张维; 汪辉; 高莉丽; 周文俊; 张兰兰
Original assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Current assignee: Yunnan Zhongke Yuhong Biotechnology Co., Ltd.
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: CN105462844A

Abstract

本发明公开了一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，包括如下步骤：成熟的雨生红球藻厚壁孢子在氮限制培养基和高光照下，同步萌发产生红色鞭毛细胞；红色鞭毛细胞发生同步孢囊化，形成厚壁孢子，上述过程周期性重复，实现雨生红球藻多个细胞周期中处于同步化生长状态。本发明还提供一种应用，在氮限制培养基接入成熟的雨生红球藻厚壁孢子，提供高光照和富二氧化碳的空气，厚壁孢子经同步萌发和同步孢囊化过程再次形成厚壁孢子；形成的厚壁孢子一部分直接收获，另一部分加入新培养基继续培养；按照上述方法周期性重复培养。本方法简单，可以获得连续多个细胞周期内同步化程度高的雨生红球藻细胞群，快速获得高虾青素含量的雨生红球藻厚壁孢子。

Description

一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法及其应用

技术领域

本发明涉及微藻生物技术领域，尤其是一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法及其应用。

背景技术

虾青素(astaxanthin)是一种氧化态的胡萝卜素。虾青素具有极强的自由基清除能力和着色性能，因此虾青素及其衍生产品在药品、保健品、护肤品及高端饲料添加剂领域已经有着广泛的应用。

培养雨生红球藻生产虾青素是生产天然虾青素的主要途径，其中虾青素的含量高达细胞干重的2％～7％，是最有潜力的产虾青素新资源，受到国内外学界和企业界的普遍关注。雨生红球藻来源的虾青素产品陆续获得GMP、FDA及欧盟新资源认证。在我国，雨生红球藻于2010年获准进入新资源产品目录(卫生部2010年第17号公告)，因此在我国雨生红球藻来源的虾青素产品拥有极大的市场。

在雨生红球藻的生活史中，存在两种富含虾青素的细胞状态：成熟的厚壁孢子和红色鞭毛细胞，分别处在不同的生活阶段。针对这两种形态的雨生红球藻细胞，国内外生产商采用两步法工艺和一步法工艺分别生产厚壁孢子或者红色鞭毛细胞。目前，虽然雨生红球藻的生产已经取得一定规模的成功培养，但是仍然存在培养周期长、虾青素含量低等问题，导致其产能不能满足企业需求。

不能很好的调控雨生红球藻的细胞周期是产生上述问题的重要原因。要解决这一问题，需要深入探讨环境因子对其细胞繁殖动力学、生长生理学和细胞虾青素积累动力学的影响。目前关于这方面的认识主要是基于细胞群体培养所得的，但是由于雨生红球藻的细胞周期演变过程复杂，在同一培养体系中，通常出现处于不同生活阶段细胞并存或者多种不同的繁殖途径并存的情况，即培养体系存在多种生长和代谢不同步的细胞群，因此部分掩盖了细胞处于不同阶段时真实的生长和代谢行为。如果应用单个细胞进行研究，由于数量太少而难以进行准确的定量分析，可行的方法是获得同步生长的细胞群来研究这一阶段细胞的真实生长和代谢情况。一些研究者采用重力沉淀或梯度离心等物理方法，利用不同阶段细胞的密度和游动性存在差异的特点，用于分选处于不同阶段的细胞群，但是这一方法需要特定设备，而且操作繁琐。另一些研究者尝试通过同步化培养获取处于同一阶段的细胞群，比如通过环境胁迫(包括氮饥饿、高光、活性氧等)诱导动孢子的孢囊化过程，或者通过变温前处理、低光诱导等手段诱导厚壁孢子同步萌发以获取动孢子。但是大多数仅实现在游孢子萌发阶段的部分同步，特别是不能实现完全的同步培养，不能满足研究需要。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，包括如下步骤：(1)成熟的雨生红球藻厚壁孢子，在氮限制培养基和高光照条件下，同步萌发产生红色鞭毛细胞的过程；(2)步骤(1)产生的红色鞭毛细胞发生同步孢囊化，形成厚壁孢子的过程；(3)按照步骤(1)和步骤(2)的先后次序周期性地重复，实现雨生红球藻在多个细胞周期中处于同步化生长状态。

所述步骤(1)和步骤(2)在同一反应器和同一培养条件下连续进行。

优选的，所述成熟的雨生红球藻厚壁孢子利用单一的或复合的选自氮饥饿、高光、高盐、高温或活性氧诱导剂等胁迫手段获得，细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为1.0～20.0。

优选的，所述成熟的雨生红球藻厚壁孢子通过氮饥饿或高光复合诱导产生厚壁孢子的培养方法获得，细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为3.0～10.0。

优选的，所述氮限制培养基中的氮选自硝态氮、铵态氮、有机氮或尿素，所用氮浓度为0.2～8.0mmol/L，氮供应与细胞密度的关系为1～10mmol/g。

优选的，所述的硝态氮选自硝酸钾、硝酸钠；所述的铵态氮选自碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、氯化铵；所述的有机氮选自氨基酸、酵母提取物；所用氮浓度为1.0～4.0mmol/L。

优选的，所述高光照的强度是200～2500μmol/m²/s，以光暗时间比24h:0h-10h:14h提供光照。

本发明还提供一种基于上述调控方法的用于半连续生产高虾青素含量雨生红球藻的方法，其特征在于：在反应器中加入氮限制培养基，接入成熟的雨生红球藻厚壁孢子，提供高光照和富二氧化碳的空气，厚壁孢子经同步萌发和同步孢囊化过程而再次形成厚壁孢子；形成的厚壁孢子一部分直接收获，另一部分经加入新培养基后继续培养；按照上述方法对雨生红球藻厚壁孢子进行周期性重复培养。

优选的，所述方法中再次形成厚壁孢子中的10％～80％用于重新接种。

优选的，所述反应器为透明材质的反应器。

优选的，所述收获的厚壁孢子含有的虾青素含量不小于细胞干重的3％。

本发明雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法中，雨生红球藻厚壁孢子的同步萌发和同步孢囊化过程在同一反应器和相同的培养条件下连续进行，无需更换培养反应器和培养基。在不同批次或进入新一轮培养中，出于规模放大的目的，可以将收获的厚壁孢子接种于更大反应器中，但是培养条件，包括培养基的营养组成、光照强度等，与前一轮培养基本一致。

本发明将成熟的雨生红球藻厚壁孢子，在氮限制培养基和高光照条件下培养。厚壁孢子通过光合作用以及利用胞内存储的油脂，通过有丝分裂并分割原生质体而在母细胞内形成2、4、8、16等数目不同的子孢子。通常，在累积光照时间24～72h后，厚壁孢子同步萌发并释放出大量的子孢子，迅速提高培养液中的细胞密度。在萌发过程中，细胞快速从培养基中吸收氮，由于自然消耗，培养中的氮浓度快速降低，由此产生的氮饥饿胁迫抑制了子孢子的营养繁殖，并诱导萌发产生的子孢子发生同步的孢囊化；由于氮饥饿和高光的复合胁迫，孢囊化的细胞快速合成虾青素和油脂，并逐渐发展为成熟的厚壁孢子，完成一个完整的细胞周期。之后将新形成的厚壁孢子重悬浮到新鲜的氮限制培养基中，在与之前相同的培养条件下，可以实现新一轮的细胞周期循环。与现有的雨生红球藻细胞同步化方法相比，本发明方法简单易行、同步化程度高，可以实现连续多个细胞周期的同步化生长状态，可以满足研究和生产中的人工有控调节细胞周期。

本发明中所用术语“成熟的雨生红球藻厚壁孢子”是指已经完成孢囊化过程的厚壁孢子，其细胞中已经积累了一定含量的类胡萝卜素，其中类胡萝卜素/叶绿素含量比为1.0～20.0。

本发明中所用术语“红色鞭毛细胞”是指厚壁孢子萌发产生的子代孢子，属于游动孢子的一种，其细胞中含有来自于母细胞的虾青素和其他类胡萝卜素而显红色或橙色，也称为子孢子或子细胞。

本发明中所用术语“氮限制培养基”是指培养基中氮浓度低于常规培养基的氮浓度。其中，常规培养基选自BG-11、3N-BBM和OHM等文献报道的用于微藻培养的培养基，其中氮浓度在4.1～17.6mmol/L。在本发明中，所用氮浓度为常规培养基的5％～80％，浓度范围为0.2～8.0mmol/L。

光照强度对本发明的效果尤为重要。低于100μmol/m²/s的光照降低同步萌发率并延长孢子萌发所需时间，不利于厚壁孢子的同步化萌发。当光照强度大于200μmol/m²/s时，厚壁孢子在48小时内的同步萌发率达到90％以上；在大于300μmol/m²/s的光照下，厚壁孢子在36小时内的同步萌发率达到90％以上。光照时间也影响本发明的效果，厚壁孢子的48小时同步化萌发率，在持续性光照(光暗时间比24h：0h)下比周期性的光暗交替条件下更高。光暗时间比从24h：0h～10h：14h内递减变化，厚壁孢子的48小时同步化萌发率在100％～60％范围内随之发生递减变化。

本发明中雨生红球藻厚壁孢子，当细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为1.0～20.0的厚壁孢子，厚壁孢子的同步萌发率达到80％以上；当选用类胡萝卜素/叶绿素含量比为3.0～10.0的厚壁孢子时，厚壁孢子的同步萌发率达到95％以上，并将新一轮循环中厚壁孢子的成熟时间缩短至6～10天，大大缩短了培养时间。

本发明提供的细胞周期同步化调控方法对是否通气和培养装置没有特别限制。在不通入CO₂的条件下，使用三角烧瓶静置培养，厚壁孢子的48小时同步化萌发率达到80％以上。当通入含0.5％～2.5％CO₂的空气时，使用透明玻璃柱培养，厚壁孢子的48小时同步化萌发率达到80％以上。

本发明将培养获得的雨生红球藻厚壁孢子中的10％～80％用于重新接种，使得初始的厚壁孢子密度为0.1～2.0g/L。由于氮供应的限制和细胞密度，使得氮供应与细胞密度的关系为1～10mmol/g，由此产生的氮限制条件大大缩短培养时间。

本发明的一个实施例中使用光强600μmol/m²/s的持续光照，培养8天获得厚壁孢子细胞密度达到5.1g/L，其中虾青素含量达到6.01％，虾青素产率为33.4mg/L/天。在另一个实施例中，使用自然光照培养，虽然自然光照不能连续性供应，但是由于自然光强最高可达2500μmol/m²/s，其累积光量子仍然很高。使用阵列柱状光反应器在自然光照下培养，雨生红球藻的生物质体积产率达到0.15～0.40g/L/天，收获时细胞中的虾青素含量达到4％，因此，虾青素产率达到6～16mg/L/天，单位面积的生物质产率达到200g/m²/天。

本发明中的雨生红球藻厚壁孢子在同步化萌发阶段，一方面，通过分割母细胞的原生质体，子细胞中存有来源于母细胞的类胡萝卜素，其中主要是虾青素，大大提高了子细胞的抗高光胁迫能力；另一方面，子细胞萌发过程中新合成叶绿素和叶黄素，迅速提高细胞的光合作用效率。同时，由于氮自然消耗导致缺氮胁迫，诱导细胞迅速孢囊化并迅速合成虾青素。这三方面的作用，大大提高了高光下雨生红球藻细胞的存活率，缩短了雨生红球藻厚壁孢子的成熟时间，因此提高了虾青素产率。

本发明的有益效果是：(1)本发明的雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法简单易行，不需要复杂的设备，就可以获得在连续多个细胞周期内同步化程度高的雨生红球藻细胞群，实现雨生红球藻在人工调控下的同步萌发和同步孢囊化，制备分别处于孢囊细胞、红色鞭毛细胞和厚壁孢子阶段的细胞群，在每一阶段中孢囊细胞、红色鞭毛细胞和厚壁孢子的比例占总细胞数的90％以上。(2)利用本发明的方法制备处于不同细胞阶段的雨生红球藻细胞群，通过分析各细胞群的蛋白质、油脂、碳水化合物、色素含量、组成及动力学变化，可以研究雨生红球藻在整个细胞周期中代谢行为。(3)通过调控雨生红球藻的细胞周期，可以快速获得高细胞密度的红色游动孢子的细胞培养物；同时由于红色游动孢子中储存着来自于母细胞的虾青素，大大提高了游动孢子在高光诱导孢囊化过程中的存活率。(4)基于本发明的方法，实现雨生红球藻的半连续培养，大幅缩短了雨生红球藻厚壁孢子的培养时间；同时获得的雨生红球藻细胞中虾青素含量大于细胞干重的3％，因此大大提高虾青素的产率。

附图说明

图1是本发明实施例1厚壁孢子成熟度对厚壁孢子同步化萌发的影响；

图2是本发明实施例4雨生红球藻细胞周期中各细胞阶段的同步化效率；

图3是本发明实施例8的方法半连续培养雨生红球藻，显示生物质含量随时间的变化；

图4是利用本发明的方法研究雨生红球藻萌发过程胞内色素的代谢行为，显示每种色素含量随时间的变化。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，包括如下步骤：

(1)成熟的雨生红球藻厚壁孢子，在氮限制培养基和高光照条件下，同步萌发产生红色鞭毛细胞的过程；(2)步骤(1)产生的红色鞭毛细胞发生同步孢囊化，形成厚壁孢子的过程；(3)按照步骤(1)和步骤(2)的先后次序周期性地重复，实现雨生红球藻在多个细胞周期中处于同步化生长状态。

所述成熟的雨生红球藻厚壁孢子利用单一的或复合的选自氮饥饿、高光、高盐、高温或活性氧诱导剂等胁迫手段获得，细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为1.0～20.0。

所述成熟的雨生红球藻厚壁孢子的细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为3.0～10.0。

所述氮限制培养基中的氮选自硝态氮、铵态氮、有机氮或尿素，所用氮浓度为0.2～8.0mmol/L。

所述的硝态氮选自硝酸钾、硝酸钠；所述的铵态氮选自碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、氯化铵；所述有机氮选自氨基酸或酵母提取物；所用氮浓度为0.2～8.0mmol/L，氮供应与细胞密度的关系为1～10mmol/g。

所述的硝态氮选自硝酸钾、硝酸钠；所述的铵态氮选自碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、氯化铵；所用氮浓度为1.0～4.0mmol/L。

所述高光照的强度是200～2500μmol/m²/s，以光暗时间比24h:0h-10h:14h提供光照。

本发明还提供一种基于细胞周期同步化调控原理的用于半连续生产高虾青素含量雨生红球藻的方法，包括如下步骤：在反应器中加入氮限制培养基，接入成熟的雨生红球藻厚壁孢子，提供高光照和富二氧化碳的空气，厚壁孢子经同步萌发和同步孢囊化过程而再次形成厚壁孢子；形成的厚壁孢子的20％～90％进行直接收获，剩余部分经加入新培养基后，继续培养；按照上述方法对雨生红球藻厚壁孢子进行周期性重复培养。

所述反应器为透明塑料或玻璃材质的平板式、管道式或跑道池反应器。

所述收获的厚壁孢子含有的虾青素含量不小于细胞干重的3％。

评价方法

采用定性和定量方法综合评价雨生红球藻的细胞周期同步化调控效果。

定性分析方法是采用光学显微镜定时观察整个培养周期中细胞的显微形态。

定量方法，一方面利用血球计数板计量特定时间点的厚壁孢子、营养细胞和中间态细胞的数量，尤其是萌发过程产生子孢子的数量，通过公式(1)计算48小时萌发率：

萌发率(％)＝100-(中间态细胞密度+未萌发厚壁孢子密度)/初始细胞密度×100％(1)

另一方面，拍摄不同时间点的显微照片，通过ImageJ软件统计并计算细胞群中处于不同阶段细胞的比例。

实施例1

来自日本NIES藻种库的雨生红球藻NIES-144藻株，在无氮BG11培养基和200μmol/m²/s持续光照下培养6～30天；之后，将不同时间点获得的厚壁孢子接种于含4.0mmol/L硝酸钠的3N-BBM中，初始细胞密度为0.8g/L，在250μmol/m²/s持续光照下通入含1.5％CO₂的空气培养，48小时后观察并计量厚壁孢子的萌发率。随培养时间延长，厚壁孢子的成熟度逐渐升高，其中类胡萝卜素/叶绿素含量比为逐渐升高，从最初的2.2升高至第17天的12.5，48小时萌发率先上升后降低，最高48小时萌发率达到97％。当培养基中补充了终浓度为450μmol/L硫酸亚铁时，培养至17天，获得的厚壁孢子中类胡萝卜素/叶绿素含量比为18.0，厚壁孢子的48小时萌发率为63％。

实施例2

来自德国SAG保藏中心的雨生红球藻SAG 34-1b藻株，在不含氮的BBM培养基和150μmol/m²/s持续光照下培养8天，细胞中总类胡萝卜素/总叶绿素含量比为2.5。离心弃去上清并收获厚壁孢子，之后重悬浮于含2.0mmol/L碳酸铵和含2.0mmol/L尿素的BBM培养基中，初始细胞密度1.0g/L，置于三角烧瓶中静置培养，48小时后观察并计量厚壁孢子的萌发率，同步萌发率分别为90％和80％。至72小时，培养体系中细胞迅速孢囊化并形成厚壁孢子。

实施例3

来自丹麦SCCAP藻种库的雨生红球藻K-0084藻株，在氮饥饿和200μmol/m²/s持续光照的双重胁迫下培养6天，细胞中总类胡萝卜素/总叶绿素含量比为4.1。离心弃去上清并收获厚壁孢子，之后以0.25g/L的细胞密度重悬浮于含0～8.0mmol/L硝酸钠的BG11培养基中，在140μmol/m²/s持续光照下通入含1.0％CO₂的空气培养，48小时后观察并计量厚壁孢子的萌发率。重悬于不含硝酸钠的培养基中的厚壁孢子，48小时萌发率为0；重悬于含0.5～2.0mmol/L硝酸钠的培养基中的厚壁孢子，48小时萌发率超过90％；重悬于含4.0、8.0mmol/L硝酸钠的培养基中的厚壁孢子，48小时萌发率反而降低，但是由于培养基中的氮残留，子孢子逐渐从红色状态演变成绿色状态，并随后进入不同步的无性繁殖阶段，见表1。

表1雨生红球藻在不同初始氮浓度下诱导不同时间后各阶段细胞的比例

实施例4

来自丹麦SCCAP藻种库的雨生红球藻K-0084藻株，在氮饥饿和200μmol/m²/s持续光照的双重胁迫下培养6天，细胞中总类胡萝卜素/总叶绿素含量比为4.1。将上述获得的厚壁孢子以0.8g/L的初始密度接种于含4.0mmol/L硝酸钠的3N-BBM中，通入含1.5％CO₂的空气培养，在250μmol/m²/s持续光照下培养。在接种24小时后，厚壁孢子细胞膨大并形成孢子囊；至41小时，孢子囊释放出红色鞭毛细胞，培养液中红色鞭毛细胞的比例占总细胞总数的95％以上，定量分析结果表明厚壁孢子的同步萌发率达到95％以上；至65小时，随着培养基中氮几乎消耗殆尽，因此细胞迅速开始孢囊化过程，培养液中的红色鞭毛细胞几乎全部脱去鞭毛并转变为厚壁孢子，厚壁孢子的比例占总细胞数的95％以上。

实施例5

雨生红球藻K-0084藻株，在氮饥饿和200μmol/m²/s持续光照的双重胁迫下培养8天，离心弃去上清并收获厚壁孢子，之后以1.0g/L的细胞密度重悬浮于含4mmol/L硝酸钠的BG11培养基中，在200μmol/m²/s持续光照下通入含1.0％CO₂的空气培养。培养48小时后，培养液中红色鞭毛细胞的比例占总细胞总数的95％以上；培养72小时后，培养液中不动孢子的比例大于总细胞数的95％。培养8天后，细胞密度达到13.7×10⁵cell/mL，离心收集产生的厚壁孢子，细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为6.5。取收获细胞的15％重悬浮于含4mmol/L硝酸钠的BG11培养基中，在相同的光照和通气条件下开始第二轮培养。培养过程中，镜检发现细胞的萌发与孢囊化过程与第一轮循环基本一致。之后，采用与第一轮和第二轮培养相同的条件进行3～7轮培养，在每一个细胞周期内厚壁孢子的萌发和红色鞭毛细胞的孢囊化过程均呈现出同步的形态转化。

实施例6

雨生红球藻NIES-144藻株厚壁孢子，其中虾青素含量为细胞干重的2.79％，以1.0g/L细胞密度重悬浮于含4mmol/L硝酸钠的BBM培养基中，置于400mL气泡柱中，持续通入含1.0％CO₂的空气，空气流量为0.3vvm。由日光灯提供光照，光强为双侧光，各300μmol/m²/s。培养24小时后，培养液中红色鞭毛细胞占总细胞数的85％，细胞干重达到1.397g/L；培养96小时后，培养液中细胞全部转化为不动孢子，细胞干重达到3.582g/L；培养8天后，培养液中细胞全部为成熟的厚壁孢子，细胞干重达到5.122g/L，虾青素含量为细胞干重的6.01％。整个培养周期的生物质产率达到0.544g/L/day，虾青素产率达到33.4mg/L/day。

实施例7

雨生红球藻K-0084藻株厚壁孢子，以0.98g/L细胞密度接种于BBM培养基(含4mmol/L硝酸钠)中，置于放置在室外的20L平板式反应器(光程5cm)中，持续通入含1.2％CO₂的空气。自然光照，日照时间为上午5:30至下午7:30，最大光强为2300μmol/m²/s。培养10天后，藻液中生物质含量达到4.51g/L，生物质产率为0.371g/L/day。经测定，雨生红球藻中虾青素含量为3.2％。将上一轮培养产生的雨生红球藻作为种子用于新一轮培养，接种密度和培养条件与上一轮相同，循环培养4～6轮，生物质产率与前一轮基本相当。

实施例8

将雨生红球藻K-0084藻株厚壁孢子接种于含2mmol/L碳酸铵的BBM培养基中，置于管径为5cm、体积为2.5L的柱式光反应器中。将40根柱式光反应器以10cm间距平行排列，置于青岛室外5-7月间自然光照下。持续通入含1.5％CO₂的空气，空气流量为0.3vvm。培养8天后，藻液中干物质含量达到3.892g/L。从培养物中抽出80％体积的藻液收获雨生红球藻生物质，剩余的20％藻液留在柱式光反应器中，以新鲜的BBM培养基(含2.5mmol/L碳酸铵)稀释至原体积，在与之前相同的条件下继续培养8天，干物质含量可以达到第一轮的80％～120％。按照上述操作，再进行3～5轮的半连续培养。在整个培养周期中，雨生红球藻的生物质产率达到0.2～0.4g/L/day，单位面积产率最高达到100g/m²/day。收获的雨生红球藻中虾青素含量超过细胞干重的3％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)成熟的雨生红球藻厚壁孢子，在氮限制培养基和高光照条件下，同步萌发产生红色鞭毛细胞的过程；

(2)步骤(1)产生的红色鞭毛细胞发生同步孢囊化，形成厚壁孢子的过程；

(3)按照步骤(1)和步骤(2)的先后次序周期性地重复，实现雨生红球藻在多个细胞周期中处于同步化生长状态；所述步骤(1)和步骤(2)在同一反应器和同一培养条件下连续进行；

所述氮限制培养基中的氮选自硝态氮、铵态氮、有机氮，所用氮浓度为0.5～4mmol/L，氮供应与细胞密度的关系为1～10mmol/g；

所述高光照的强度是200～2500μmol/m²/s，以光暗时间比24h:0h～10h:14h提供光照。

2.如权利要求1所述的一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，其特征在于，所述氮限制培养基中的氮选自尿素。

3.如权利要求1所述的一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，其特征是，所述成熟的雨生红球藻厚壁孢子利用单一的或复合的选自氮饥饿、高光、高盐、高温或活性氧诱导剂的胁迫手段获得，细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为1.0～20.0。

4.如权利要求1所述的一种雨生红球藻细胞周期同步化的调控方法，其特征是，所述成熟的雨生红球藻厚壁孢子通过氮饥饿和高光复合诱导产生厚壁孢子的培养方法获得，细胞中类胡萝卜素/叶绿素含量比为3.0～10.0。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的调控方法用于半连续生产高虾青素含量雨生红球藻的方法，其特征是：在反应器中加入氮限制培养基，接入成熟的雨生红球藻厚壁孢子，提供高光照和富二氧化碳的空气，厚壁孢子经同步萌发和同步孢囊化过程而再次形成厚壁孢子；形成的厚壁孢子一部分直接收获，另一部分经加入新培养基后继续培养；按照上述方法对雨生红球藻厚壁孢子进行周期性重复培养。

6.如权利要求5所述的半连续生产高虾青素含量雨生红球藻的方法，其特征是，所述方法中再次形成厚壁孢子中的10％～80％用于重新接种。

7.如权利要求5所述的半连续生产高虾青素含量雨生红球藻的方法，其特征是，所述反应器为透明材质的反应器。

8.如权利要求5所述的半连续生产高虾青素含量雨生红球藻的方法，其特征是，所述收获的厚壁孢子含有的虾青素含量不小于细胞干重的3％。