Adaptive laboratory evolution of Blakeslea trispora under acetoacetamide stress leads to enhanced β-carotene biosynthesis
- 作者
- Hamideh Moradi, Davood Zare, Mehrdad Azin, Hamid Moghimi
- 杂志
- Scientific Reports（2025）
- DOI
- 10.1038/s41598-025-13082-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高丝状真菌Blakeslea trispora的β-胡萝卜素产量，增强其工业应用潜力
研究策略
采用适应性实验室进化（ALE），以乙酰乙酰胺作为选择压力，对野生型和UV突变株进行长达16个月、95次连续传代的定向进化，逐步提高抑制剂浓度（800-2000 mg/L），筛选高产量适应菌株。
核心内容
本研究以丝状真菌三孢布拉霉（Blakeslea trispora）为对象，以乙酰乙酰胺作为化学选择压力，对野生型W78和UV突变株M1开展了长达16个月、共95次连续传代的适应性实验室进化（ALE），逐步将抑制剂浓度从800 mg/L提升至2000 mg/L，以筛选具有高β-胡萝卜素产量和胁迫耐受性的适应菌株。进化获得的适应菌株A78在β-胡萝卜素产量上达到54 ± 1.95 mg/L，较野生型的21.6 ± 2.11 mg/L提高了45%，同时细胞干重维持在23.14 ± 1.85 g/L的较高水平。转录分析显示，A78中甲羟戊酸途径关键基因hmgR和类胡萝卜素合成基因carRA的表达分别上调2倍和1.5倍，而适应突变株A2M1中这两基因的上调幅度更为显著（分别达6倍和4.5倍）。此外，适应菌株的过氧化氢酶活性增加14%–19%，棕榈酸含量降低39%，不饱和脂肪酸占比升至72.64%–80.66%，其中亚油酸约占50%。结果表明，化学胁迫驱动的ALE策略能协同重塑代谢与膜脂组成，有效提升丝状真菌的目标代谢物产量与胁迫抗性，为工业菌株的定向改良提供了切实可行的技术路径。
创新点
['首次将乙酰乙酰胺作为胁迫剂应用于B. trispora的ALE', '获得β-胡萝卜素产量提高45%的适应菌株A78', '揭示了适应过程中关键类胡萝卜素合成基因的上调及脂肪酸组成的变化']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Blakeslea trispora（野生型W78、突变株M1、适应株A78和A2M1） | 甲羟戊酸途径（mevalonate pathway） | hmgR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 (HMG-CoA reductase) | 催化 | 关键限速酶，表达上调2倍（A78）或6倍（A2M1） |
| Blakeslea trispora（野生型W78、突变株M1、适应株A78和A2M1） | 类胡萝卜素合成途径（carotenoid biosynthesis pathway） | carRA | 番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶 (lycopene cyclase/phytoene synthase) | 催化 | 表达上调1.5倍（A78）或4.5倍（A2M1） |
| Blakeslea trispora（野生型W78、突变株M1、适应株A78和A2M1） | 类胡萝卜素合成途径（carotenoid biosynthesis pathway） | carB | 八氢番茄红素脱氢酶 (phytoene dehydrogenase) | 催化 | 类胡萝卜素合成关键酶 |
| Blakeslea trispora（野生型W78、突变株M1、适应株A78和A2M1） | 类胡萝卜素合成途径（carotenoid biosynthesis pathway） | carG | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 (geranylgeranyl pyrophosphate synthase) | 催化 | 参与类异戊二烯前体合成 |
| Blakeslea trispora（野生型W78、突变株M1、适应株A78和A2M1） | 甲羟戊酸途径（mevalonate pathway） | ipi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 (isopentenyl pyrophosphate isomerase) | 催化 | 催化IPP与DMAPP异构化 |
| Blakeslea trispora（野生型W78、突变株M1、适应株A78和A2M1） | 类胡萝卜素合成途径（carotenoid biosynthesis pathway） | SR5AL | 类固醇5α-还原酶类似蛋白 (steroid 5α-reductase-like) | 调控 | 据报道为番茄红素生物合成的关键调控基因，表达上调2倍（A2M1） |
关键发现
- 适应菌株A78的β-胡萝卜素产量达54±1.95 mg/L，较野生型W78（21.6±2.11 mg/L）提高45%
- 干重为23.14±1.85 g/L（野生型25.08±3.37 g/L）。qRT-PCR显示A78中hmgR和carRA表达分别上调2倍和1.5倍
- 适应突变株A2M1中hmgR、carRA和SR5AL分别上调6倍、4.5倍和2倍。适应菌株CAT活性增加14-19%，SOD活性显著下降。棕榈酸含量降低39%，不饱和脂肪酸占总脂肪酸的72.64%-80.66%，其中亚油酸为主要组分（约50%）。
研究结论
化学胁迫下的ALE策略能有效提高丝状真菌的代谢产物产量和胁迫耐受性，为工业菌株改良提供了可行途径。