Cell wall alterations occurring in an evolved multi-stress tolerant strain of the oleaginous yeast Rhodotorula toruloides
- 作者
- Miguel Antunes, Marta N. Mota, Pedro A. R. Fernandes, Elisabete Coelho, Manuel A. Coimbra, Isabel Sá-Correia
- 杂志
- Scientific Reports（2024）
- DOI
- 10.1038/s41598-024-74919-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析经适应性实验室进化获得的耐多胁迫红冬孢酵母菌株IST536 MM15细胞壁的理化组成变化，揭示其鲁棒表型背后的细胞壁机制。
研究策略
比较原始菌株IST536和进化菌株IST536 MM15的细胞壁多糖组成、糖苷键连接类型、细胞尺寸及机械稳定性，并结合流式细胞术、扫描电镜和化学分析，关联前期基因组与转录组数据。
核心内容
该研究系统解析了经适应性实验室进化获得的多重胁迫耐受菌株红冬孢酵母IST536 MM15的细胞壁结构与组成变化。通过比较原始菌株与进化菌株的细胞壁多糖组成、糖苷键连接类型、细胞尺寸及机械稳定性，结合流式细胞术、扫描电镜和化学分析，发现进化菌株细胞壁中葡甘露聚糖、岩藻半乳甘露聚糖和几丁质相对比例增加，(1→4)-葡聚糖由51 mol%降至30 mol%，而(1→4)-甘露糖连接由13 mol%增至19 mol%，(1→4)-葡糖胺连接由7 mol%增至16 mol%，含短壳寡糖的糖蛋白增多。进化菌株总脂质含量达36.2%（原始菌株为24.9%），C18:1比例从41%升至56%，细胞体积显著减小，对热和机械破坏的抵抗力增强。这些结果表明，细胞壁中β-连接聚合物比例上升与糖原减少共同构建了更坚硬强固的细胞壁，与细胞变小和倍性降低协同促成了多重胁迫耐受表型，为工业酵母菌株的定向工程改造提供了新的靶点。
创新点
首次系统表征了耐多胁迫进化菌株R. toruloides IST536 MM15的细胞壁多糖结构，发现葡甘露聚糖、岩藻半乳甘露聚糖和几丁质相对(1→4)-葡聚糖的比例增加，且含短壳寡糖的糖蛋白增多；进化菌株细胞体积减小，细胞壁更坚固，抗热和机械破坏能力增强。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula toruloides IST536 | 细胞壁多糖合成 | — | — | 区室化 | 原始菌株，细胞壁总多糖239 mg/g，Glc 44 mol%，细胞直径较大 |
| Rhodotorula toruloides IST536 MM15 | 细胞壁多糖合成 | — | — | 区室化 | 进化菌株，细胞壁总多糖223 mg/g，Glc 32 mol%，细胞更小且抗机械破坏 |
| Rhodotorula toruloides IST536 MM15 | 几丁质生物合成 | chitin synthase (multiple) | Chitin synthase | 催化 | 转录水平升高或存在错义突变，与细胞壁几丁质比例增加相关 |
| Rhodotorula toruloides IST536 MM15 | 几丁质降解 | chitinase | Chitinase | 催化 | 可能参与几丁质重塑，呈现转录升高或突变 |
| Rhodotorula toruloides IST536 MM15 | 几丁质修饰 | chitin deacetylase | Chitin deacetylase | 催化 | 转录水平显著降低，减少几丁质脱乙酰化 |
| Rhodotorula toruloides IST536 MM15 | GDP-甘露糖生物合成 | GDP-mannose pyrophosphorylase | GDP-mannose pyrophosphorylase | 催化 | 参与细胞壁甘露聚糖合成，存在错义变异 |
| Rhodotorula toruloides IST536 MM15 | 蛋白糖基化 | mannosyltransferases | Mannosyltransferase | 催化 | 14个相关基因有错义变异，影响细胞壁蛋白糖基化 |
关键发现
- 进化菌株IST536 MM15的总脂质含量为36.2%（原始菌株24.9%），C18:1比例56%（原始41%）
- 细胞壁总多糖：原始菌株239±5 mg/g，进化菌株223±11 mg/g
- 糖组成（mol%）：原始菌株 Fuc 4, Xyl 1, Man 27, Gal 12, Glc 44, GlcN 7, UA 5
- 进化菌株 Fuc 9, Xyl 1, Man 31, Gal 16, Glc 32, GlcN 9, UA 7。(1→4)-Glcp连接从51mol%降至30mol%，(1→4)-Manp连接从13mol%增至19mol%，(1→4)-GlcpN连接从7mol%增至16mol%。几丁质含量相似（21 vs 23 mg/g）。进化菌株细胞显著小于原始菌株（SEM测量），对热和机械破坏更具抗性。
研究结论
进化菌株细胞壁中β-连接聚合物（葡甘露聚糖、岩藻半乳甘露聚糖和几丁质）比例增加，而(1→4)-连接的葡萄糖（糖原）减少，形成了更坚硬和强固的细胞壁，这与细胞变小和倍性降低共同促成了其多重胁迫耐受表型，为工业酵母菌株工程提供了新靶点。