类胡萝卜素是重要的光合色素,在植物中参与光合作用、光形态建成、光保护,还可以作为赤霉素等植物激素的前体。根据结构,类胡萝卜素可分为β-支（如β-胡萝卜素、玉米黄素）和ε-支（如α-胡萝卜素、叶黄质）。β-支类胡萝卜素广泛分布于藻类和陆生植物,而部分红藻、杂色藻不能合成ε-支类胡萝卜素。在进化上,ε-支类胡萝卜素首先出现于红藻门（Rhodophyta）红毛菜纲（Bangiophyceae）。红毛菜纲仅含有红毛菜属（Bangia）和紫菜属（Porphyra）。通过HPLC分析,红毛菜纲植物的类胡萝卜素组分包括叶黄质（lutein）、玉米黄素（zeaxanthin）、α-胡萝卜素（α-carotene）、β-胡萝卜素（β-carotene）,以及少量的5,6-环氧化叶黄质（lutein-5,6-epoxide）、花药黄素（antheraxanthin）和玉米黄质（zeinoxanthin）。类胡萝卜素代谢以异戊烯基二磷酸（isopentenyl diphosphate,IPP）及其异构体二甲基丙烯基二磷酸（dimethylallyl diphosphate,DMAPP）为前体,在牻牛儿基牻牛儿基二磷酸（geranylgeranyl pyrophosphate,GGPP）合酶（GGPP synthase,GGPPS）作用下形成GGPP。本研究表明红毛菜（B.fuscopurpurea）基因组中只有一个可能来源于蓝细菌的GGPPS编码基因,并通过大肠杆菌颜色互补系统和体外酶活实验证明了其催化功能。我们进一步利用拟南芥ggpps11突变体证明Bf GGPPS在高等植物同样具有GGPPS酶促活性。本研究通过酵母双杂交（Y2H）和免疫共沉淀（Co-IP）实验发现Bf GGPPS与八氢番茄红素合酶（phytoene synthase,PSY）相互作用,推测红藻可能通过该相互作用将GGPP代谢流引入到类胡萝卜素合成途径。番茄红素是类胡萝卜素的重要分支点,在其下游存在β/ε-环化作用。我们在脐形紫菜（P.umbilicalis）基因组中找到了2个番茄红素环化酶（lycopene cyclase,LCY）。通过大肠杆菌色素互补系统证明了紫菜β-环化酶（Pu LCYB）和ε-环化酶（Pu LCYE）。当两者同时存在时,可以对番茄红素两端分别进行β-环化和ε-环化形成α-胡萝卜素。我们在拟南芥环化酶突变体中也证明了Pu LCYB和Pu LCYE在体内的环化活性。在进化关系上,本研究发现Pu LCYE与绿色植物的LCYE有不同的起源,红藻的LCYE可能来源于原始红藻LCYB的基因复制。在红藻的类胡萝卜素代谢中,还存在进一步的羟化作用。本实验室之前的研究已经在脐形紫菜（P.umbilicalis）中发现了一个P450家族的β-羟化酶（CYP97B）。在本研究中,我们在红毛菜基因组中也只发现了一个CYP97B（Bf CHY）,因此猜测这唯一的Bf CHY是否同时具有β-羟化和ε-羟化活性。结果表明Bf CHY定位于质体,能对α-胡萝卜素和β-胡萝卜素进行β-羟化作用分别形成玉米黄素和玉米黄质,但不具有ε-羟化活性。通过对GGPPS、LCYB和LCYE的研究,本研究首次阐明了红藻β-支和ε-支类胡萝卜素分化的合成途径,并发现了其不同的进化历程。且通过多种方法均未发现红藻的ε-羟化作用,本研究确定了CYP97B不参与叶黄质形成中的ε-羟化作用。