虾青素具有超强的抗氧化能力，被广泛应用于饲料、化妆品和营养保健品等领域。雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）能积累大量的虾青素，在目前所有虾青素来源中，红球藻是最优质的虾青素生产者。本文以雨生红球藻为材料，首先研究了不同CO2浓度（空气CO2和4倍空气CO2）对其生理生化指标的影响，再利用转录组测序和GC-TOFMS技术探究了CO2浓度影响的红球藻转录和代谢水平上的差异，以从生理、基因和代谢三个角度来对雨生红球藻的CO2响应机制进行探讨。主要结果如下：　　（1）研究了两种不同CO2浓度对雨生红球藻生长和其它生理生化指标的影响。结果显示在雨生红球藻的绿色营养阶段，高CO2浓度下培养的藻细胞密度是低CO2浓度下的3.08倍（第10d）。与低CO2组相比，高CO2组培养藻的叶绿素和类胡萝卜素含量、胞外碳酸酐酶（CA）活性降低，非光化学淬灭（NPQ）显著升高，最大光能转化效率（Fv/Fm）、实际光化学量子效率（ФPSII）多显著升高，而光化学淬灭（qP）、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性基本无显著差异。在雨生红球藻的红色孢子阶段，高CO2培养下的藻细胞密度显著降低，但虾青素含量提高了20.23%（第8d）。超微结构研究表明较高的CO2浓度能促进雨生红球藻的蛋白核发育，但包裹蛋白核的淀粉鞘结构会变得更薄。　　（2）使用Illumina Hiseq平台对不同CO2浓度培养的绿色营养阶段雨生红球藻进行高通量测序。对测序数据进行组装拼接后，共有73,549条Unigenes，其中61.58%可与测序库已知功能基因匹配。经过组间筛选后，共获得1,665条差异表达基因，其中在高CO2组中上调的有893条，下调的有772条。差异基因富集分析表明，雨生红球藻对CO2的响应主要集中在光合作用、三羧酸循环、糖酵解、氮代谢等代谢途径中，在高CO2浓度下，这几条途径相关基因大多上调表达，而热休克蛋白等抗逆相关基因显著下调。其中，丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、细胞周期蛋白（cyclin）、周期蛋白依赖性激酶（CDK）的上调表达可能与高CO2浓度下雨生红球藻的快速增殖有关。　　（3）采用GC-TOFMS技术，对不同CO2浓度培养下的绿色营养阶段的雨生红球藻进行代谢谱分析。首先通过主成分分析（PCA）及正交偏最小二乘法-判别分析（OPLS-DA）来分析不同CO2浓度影响的雨生红球藻代谢谱的整体差异水平，结果显示其代谢谱在不同CO2浓度下区分显著。然后对差异化合物进行筛选和鉴定，共得到36种不同的差异代谢物，其丰度变化表明高CO2浓度下雨生红球藻的氨基酸、脂肪酸合成途径上调，同时尿素循环和三羧酸循环也得到促进。　　总之，4倍空气CO2浓度有利于绿色营养阶段雨生红球藻的生长和红色孢子阶段藻体虾青素的积累，同时促进了光合作用、三羧酸循环、糖酵解、氮代谢等代谢途径相关基因转录水平的表达，并上调了氨基酸、脂肪酸合成等代谢途径。