Research progress on carotenoid production by Rhodosporidium toruloides
- 作者
- Zhuo-Ting Xie, Bing-Qian Mi, Yong-Jun Lu, Mou-Tong Chen, Zhi-Wei Ye
- 单位
- 华南农业大学食品科学学院，广州510642，中国；广东省微生态制剂工程技术研究中心，广州510642，中国；广东省微生物安全与健康重点实验室，华南应用微生物国家重点实验室，广东省科学院微生物研究所，广州510070，中国
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-023-12943-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何系统理解并提高Rhodosporidium toruloides生产类胡萝卜素的效率，实现其工业应用
研究策略
系统综述类胡萝卜素生物合成途径与关键基因/酶调控，分析类胡萝卜素与脂质合成的关系及非生物胁迫的影响，总结发酵优化策略并提出可行改造方案
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides）生产类胡萝卜素的研究进展，聚焦其代谢调控与工业应用潜力。作者梳理了甲羟戊酸途径及类胡萝卜素合成途径中关键酶的功能，并重点分析了类胡萝卜素积累与脂质合成之间的内在关联，以及光照、盐碱、重金属等多种非生物胁迫对产量与产物组成的影响。文中指出，该菌胞内脂质可超细胞干重70%，同时积累torulene、torularhodin和β-胡萝卜素等。通过过表达ACAT2基因可使类胡萝卜素产量提升50.53%，但脂质含量下降22.80%；光照处理不仅使产量提高70%，还使CAR1和CAR2基因转录水平分别上调2倍和3倍。此外，调节C/N比可改变不同类胡萝卜素组分的比例，以木糖为碳源、C/N=50时类胡萝卜素浓度达9.23 mg/L。该综述揭示了脂质合成与类胡萝卜素积累的竞争关系，并综合基因工程、发酵优化和胁迫利用等策略，提出提升产量的可行路径，为红冬孢酵母类胡萝卜素的工业化开发提供了理论依据，但torularhodin特异合成机制及高效分子工具仍需深入研究。
创新点
首次综述了类胡萝卜素积累与脂质生物合成的关系及多种非生物胁迫因素对类胡萝卜素合成的影响；系统总结了R. toruloides中类胡萝卜素合成途径的关键酶和基因及其调控机制；提出了包括基因工程、发酵过程优化和非生物胁迫利用在内的提高类胡萝卜素产量的可行策略
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodosporidium kratochvilovae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | ACAT2 | 乙酰-CoA乙酰转移酶2 | 催化 | MVA途径第一个限速酶，催化乙酰-CoA生成乙酰乙酰-CoA；在Rhodosporidium kratochvilovae中过表达使类胡萝卜素增加50.53%、脂质含量降低22.80% |
| Rhodosporidium toruloides | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA合成酶 | 催化 | 催化乙酰乙酰-CoA与乙酰-CoA缩合生成HMG-CoA |
| Rhodosporidium toruloides | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸（MVA），是MVA途径中的限速酶 |
| Rhodosporidium toruloides | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 催化MVA磷酸化为甲羟戊酸-5-磷酸（MVP） |
| Rhodosporidium toruloides | 甲羟戊酸（MVA）途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 催化MVP磷酸化为甲羟戊酸-5-二磷酸（MVPP） |
| Rhodosporidium toruloides | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MDD | 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 | 催化 | 催化MVPP脱羧生成异戊烯基焦磷酸（IPP） |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素/萜类前体合成途径 | IPPI | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP异构化为DMAPP |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素/萜类前体合成途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成GPP和FPP |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素生物合成途径 | GGPPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化FPP与IPP缩合生成GGPP；光照下表达量升高，刺激类胡萝卜素合成 |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素生物合成途径 | CAR2 | 双功能八氢番茄红素合酶/番茄红素环化酶（PSY/CAR2） | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素，并具有番茄红素环化酶活性，参与环化生成γ-胡萝卜素和β-胡萝卜素，也催化γ-胡萝卜素脱氢生成圆酵母素（torulene） |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素生物合成途径 | CAR1 | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素经四步脱氢生成番茄红素 |
| Rhodosporidium toruloides | 光信号调控 | CRY1 | 隐花色素DASH（蓝光受体） | 调控 | 可能参与光照对类胡萝卜素合成基因CAR1和CAR2的两步转录激活调控 |
| Rhodosporidium toruloides | 乙酰-CoA代谢 | ACL1 | 柠檬酸裂解酶 | 催化 | 催化柠檬酸裂解为乙酰-CoA和草酰乙酸，增加乙酰-CoA总流量，有利于类胡萝卜素和脂质合成 |
| Rhodosporidium toruloides | 脂质储存/类胡萝卜素积累 | — | — | 区室化 | 脂滴作为脂溶性类胡萝卜素的储存场所，促进类胡萝卜素的积累和储存；脂质合成与类胡萝卜素积累正相关 |
关键发现
- R. toruloides在特定条件下胞内脂质积累可超过细胞干重的70%，并同时积累大量类胡萝卜素（主要是torulene、torularhodin、β-胡萝卜素和少量γ-胡萝卜素）。过表达内源ACAT2基因使Rhodosporidium kratochvilovae的类胡萝卜素积累增加50.53%，同时脂质含量降低22.80%。光照使R. toruloides类胡萝卜素产量提高70%，同时类胡萝卜素合成基因CAR1和CAR2的转录水平分别提高2倍和3倍。添加0.1 M K+和1.0 M Na+可使β-胡萝卜素生产率提高60%；1-10% NaCl胁迫也能显著增加类胡萝卜素产量。低浓度Cd2+（5.0 μmol/L）促进R. toruloides生长和类胡萝卜素积累，但浓度继续升高则产量下降。R. toruloides在pH
- 0时生物量最大（5.90 g/L），脂质含量21.85%（w/w）；pH
- 0时类胡萝卜素产量最高（63.37 μg/g）。C/N比从80增加到120时，β-胡萝卜素、torularhodin和torulene的比例从0.48:0.40:0.11变为0.17:0.34:0.32。利用木糖为碳源且C/N=50时，NRRL Y1091菌株类胡萝卜素浓度达9.23±0.97 mg/L；C/N=25时单位产量达2.99±0.66 mg/g。采用同步糖化发酵Camellia sativa meal水解物时，类胡萝卜素产量达16±1.9 mg/L，高于分步水解发酵。
研究结论
Rhodosporidium toruloides是一种有前景的类胡萝卜素生产菌株。通过基因工程（如过表达关键酶基因）、发酵条件优化（如pH、C/N比、光照、盐胁迫）以及平衡脂质与类胡萝卜素合成，可有效提高其类胡萝卜素产量。但仍需深入研究类胡萝卜素合成调控机制（尤其是torularhodin生物合成途径）和分子工具，以实现工业应用。