Salt stress increases carotenoid production of Sporidiobolus pararoseus NGR via torulene biosynthetic pathway
- 作者
- Chunji Li, Bingxue Li, Ning Zhang, Na Wei, Qifan Wang, Wenjing Wang, Yiwei Xie, Hongtao Zou
- 单位
- College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University; College of Bioscience and Biotechnology, Shenyang Agricultural University
- 杂志
- The Journal of General and Applied Microbiology（2018）
- DOI
- 10.2323/jgam.2018.07.001
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示盐胁迫下Sporidiobolus pararoseus NGR中托鲁烯生物合成增加的分子机制，特别是相关基因的表达调控。
研究策略
结合HPLC分析盐处理和对照条件下的类胡萝卜素含量及组成，利用Illumina HiSeq 2000进行转录组测序，对无参考基因组的S. pararoseus NGR进行de novo组装，通过差异表达基因分析及KEGG/GO富集鉴定类胡萝卜素合成和盐耐受相关基因。
核心内容
该研究以产类胡萝卜素的酵母Sporidiobolus pararoseus NGR为对象，探讨盐胁迫促进托鲁烯积累的分子机制。作者采用HPLC测定盐处理与对照条件下的类胡萝卜素含量及组成，并利用Illumina HiSeq 2000对无参考基因组的菌株进行转录组测序和de novo组装，通过差异表达基因及KEGG/GO富集分析锁定类胡萝卜素合成和盐耐受相关基因。结果显示，盐胁迫下总类胡萝卜素产量从1.32 mg/L升至1.73 mg/L，其中托鲁烯产量由0.23 mg/L增至0.73 mg/L（提高2.17倍），占总类胡萝卜素比例从约18%升至约40%；托鲁拉哈丁产量增加79.0%，而β-胡萝卜素下降12.42%。转录组组装出9,533个unigenes，鉴定出3,849个差异表达基因，其中关键合成基因crtE、crtYB和crtI分别上调1.59、1.55和1.34倍，qPCR验证表达上调1.8、2.5和3.2倍。研究还预测了14个可能参与托鲁烯向托鲁拉哈丁转化的候选氧化酶基因。结果表明，盐胁迫通过上调crtE、crtYB和crtI促进托鲁烯积累以应对氧化胁迫，托鲁烯是总类胡萝卜素增加的主要贡献者，这为类胡萝卜素工业化生产和酵母耐盐机制研究提供了理论基础。
创新点
首次对S. pararoseus NGR进行盐胁迫下的转录组分析，系统鉴定了托鲁烯合成途径中的关键基因crtE、crtYB和crtI，并预测了14个参与托鲁烯向托鲁拉哈丁转化的候选基因（羟化酶、单加氧酶、氧化酶）。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtE | GGPP合酶（geranylgeranyl pyrophosphate synthase） | 催化 | 上调1.59倍，催化IPP和DMAPP缩合生成GGPP |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtYB | 双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶 | 催化 | 上调1.55倍，催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素及番茄红素环化 |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 上调1.34倍，催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素和3,4-二氢番茄红素，为托鲁烯前体 |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 托鲁烯降解/转化途径 | comp1598 | 鲨烯单加氧酶（预测） | 催化 | 候选基因，预测催化托鲁烯羟化为16'-羟基托鲁烯 |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 托鲁烯降解/转化途径 | comp6823 | 鲨烯单加氧酶（预测） | 催化 | 候选基因，预测催化托鲁烯羟化 |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 托鲁烯降解/转化途径 | comp2438 | 异戊烯基转移酶和鲨烯氧化酶重复序列蛋白（预测） | 催化 | 候选基因，预测将16'-羟基托鲁烯氧化为托鲁拉哈丁 |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 托鲁烯降解/转化途径 | comp3479 | 异戊烯基转移酶和鲨烯氧化酶重复序列蛋白（预测） | 催化 | 候选基因，预测参与托鲁烯氧化 |
| Sporidiobolus pararoseus NGR | 托鲁烯降解/转化途径 | comp4169 | 异戊烯基转移酶和鲨烯氧化酶重复序列蛋白（预测） | 催化 | 候选基因，预测参与托鲁烯氧化 |
关键发现
- 盐胁迫下总类胡萝卜素产量从1.32 mg/L增至1.73 mg/L
- 托鲁烯产量从0.23 mg/L增至0.73 mg/L，提高2.17倍，占总类胡萝卜素比例由约18%升至约40%
- 托鲁拉哈丁产量从0.0558 mg/L增至0.0998 mg/L，增加79.0%
- β-胡萝卜素产量下降12.42%至0.9 mg/L。转录组共获得12.3 Gb clean bases，组装出9,533个unigenes，平均长度1,654 nt，N50为2,371 nt
- 鉴定出3,849个差异表达基因（DEGs），其中2,019个上调、1,830个下调
- crtE上调1.59倍，crtYB上调1.55倍，crtI上调1.34倍
- qPCR验证crtE、crtYB、crtI表达分别上调1.8倍、2.5倍、3.2倍。
研究结论
盐胁迫通过上调类胡萝卜素生物合成关键基因crtE、crtYB和crtI，促进托鲁烯的积累以应对氧化胁迫；托鲁烯是盐胁迫下总类胡萝卜素增加的主要贡献者。候选氧化酶类基因可能参与托鲁烯向托鲁拉哈丁的转化，为类胡萝卜素工业化生产和耐盐机制研究提供了依据。