Genomics and lipidomics analysis of the biotechnologically important oleaginous red yeast Rhodotorula glutinis ZHK provides new insights into its lipid and carotenoid metabolism
- 作者
- Chun-Ji Li, Die Zhao, Ping Cheng, Li Zheng, Guo-Hui Yu
- 单位
- Innovative Institute for Plant Health, Zhongkai University of Agriculture and Engineering; College of Agriculture and Biology, Zhongkai University of Agriculture and Engineering; National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University
- 杂志
- BMC Genomics（2020）
- DOI
- 10.1186/s12864-020-07244-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Rhodotorula glutinis是重要的产油红酵母，但其脂质和类胡萝卜素生物合成相关的基因组特征尚未充分解析，限制了其工业应用潜力的挖掘
研究策略
采用PacBio长读长和Illumina短读长进行全基因组测序与组装，结合RNA-seq验证基因模型；利用脂质组学（HPLC-MS）和HPLC定量分析脂质与类胡萝卜素；通过比较基因组学分析直系同源基因进化选择压力及代谢通路关键基因
核心内容
以产油红酵母Rhodotorula glutinis ZHK为对象，结合PacBio长读长与Illumina短读长测序完成了全基因组组装，获得21.8 Mb基因组（含30个scaffolds，N50为1,466,672 bp，GC含量67.8%），预测6774个基因，BUSCO完整性达94.4%，RNA-seq验证了6642个基因的表达。脂质组学分析鉴定出982种脂质，以三酰甘油（325种）、二酰甘油三甲基高丝氨酸（95种）和磷脂酰乙醇胺（64种）为主。类胡萝卜素总量达1276.02 μg/g干重，其中torularhodin占比最高（66.64%）。比较基因组学识别出3952个一对一直系同源基因，Ka/Ks分析显示绝大多数受强纯化选择，少数基因存在正选择信号。研究还预测了类胡萝卜素从头合成及torulene/torularhodin转化的关键候选基因，包括crtE、crtYB、crtI等。该工作为理解R. glutinis的脂质与类胡萝卜素代谢机制奠定了基础，也为利用该菌株作为微生物细胞工厂进行代谢工程改造提供了重要的基因组资源和靶点。
创新点
首次组装R. glutinis ZHK高质量基因组（21.8 Mb，N50=1,466,672 bp）；结合脂质组学鉴定982种脂质物种；比较基因组学揭示大多数直系同源基因受强纯化选择；预测了类胡萝卜素从头合成及torulene/torularhodin生物转化关键候选基因
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula glutinis ZHK | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | GGPP合酶 | 催化 | 催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成，类胡萝卜素合成前体 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 类胡萝卜素生物合成 | crtYB | 双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素合成及番茄红素环化 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | 胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 预测催化torulene羟基化生成16'-羟基torulene |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | 单加氧酶 | 催化 | 预测催化16'-羟基torulene氧化生成torularhodin |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 类胡萝卜素生物合成 | crtA | 酮醇酶 | 催化 | 预测参与torularhodin合成 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 脂质代谢 | ACACa | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 催化乙酰-CoA羧化生成丙二酰-CoA，脂肪酸合成限速酶 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 脂质代谢 | ACOX3 | 酰基-CoA氧化酶 | 催化 | 催化脂肪酸β-氧化第一步反应 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 脂质代谢 | PDAT | 磷脂:二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 催化酰基-CoA非依赖性甘油三酯合成 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 脂质代谢 | GPDH | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 为甘油三酯合成提供活化甘油骨架 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 脂质代谢 | TGL2 | 三酰甘油脂肪酶 | 催化 | 催化甘油三酯水解 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 脂质代谢 | MGLL | 酰基甘油脂肪酶 | 催化 | 催化甘油单酯等水解 |
| Rhodotorula glutinis ZHK | 苯丙烷代谢/工业酶 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 催化苯丙氨酸脱氨生成肉桂酸，用于治疗苯丙酮尿症等 |
关键发现
- 基因组组装为21.8 Mb，含30个scaffolds，N50=1,466,672 bp，GC含量67.8%，预测6774个基因（平均长度1813 bp），BUSCO完整性94.4%（其中1260个单拷贝，12个重复）
- RNA-seq验证6642个预测基因表达。脂质组学共鉴定982种脂质，主要含325种三酰甘油(TAGs)、95种二酰甘油三甲基高丝氨酸(DGTS)、64种磷脂酰乙醇胺(PE)。总类胡萝卜素含量为1276.02 μg/g干重，其中torularhodin占66.64%（890.25 μg/g dw）、torulene占14.07%（179.51 μg/g dw）、β-胡萝卜素占19.29%（206.36 μg/g dw）。比较基因组学鉴定3952个一对一直系同源基因，Ka/Ks分析显示3327对<0.1（纯化选择），621对介于0.1-0.5（弱正选择），3对介于0.5-1.0（正选择），1对>1.0（强正选择），表明多数基因受强纯化选择。
研究结论
高质量基因组和脂质组学数据为R. glutinis ZHK作为微生物细胞工厂生产脂质、类胡萝卜素和工业酶提供了遗传基础，鉴定的候选基因和代谢物为代谢工程改造和比较基因组进化研究奠定基础