Influence of light on growth and pigmentation of the yeast Phaffia rhodozyma
- 作者
- Gil-Hwan An, Eric A. Johnson
- 单位
- Department of Food Microbiology and Toxicology, University of Wisconsin, 1925 Willow Drive, Madison, Wisconsin 53706, USA
- DOI
- 10.1007/BF00400151
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
光对Phaffia rhodozyma生长和虾青素等类胡萝卜素合成的影响，以及抗霉素抑制主呼吸链时，光如何通过替代氧化酶系统恢复生长并促进类胡萝卜素合成。
研究策略
比较野生型与突变株在不同光照（白光、蓝光、红光、黑暗）及呼吸抑制剂（抗霉素A等）处理下的生长、类胡萝卜素组成与含量，结合呼吸抑制剂（SHAM、PG）、电子载体（TMPD、DCIP）和蛋白质合成抑制剂实验，探究光缓解抗霉素抑制的机制及其与类胡萝卜素生物合成的关系。
核心内容
该研究探讨了光照对Phaffia rhodozyma酵母生长及虾青素等类胡萝卜素合成的影响。实验比较了野生型与不同突变株在多种光照条件和呼吸抑制剂处理下的类胡萝卜素组成与含量，并结合替代氧化酶抑制剂、电子载体及蛋白质合成抑制剂等手段解析机制。结果显示，高强度光会抑制平板上菌株生长并减少类胡萝卜素总量，但液体培养中当抗霉素（0.2 μM）抑制主呼吸链时，光照可解除生长抑制，使野生型类胡萝卜素含量从暗处抗霉素处理的480 μg/g提高至1000 μg/g（约2倍），突变株18-13-6则从540 μg/g增至1410 μg/g（2–3倍）。替代氧化酶抑制剂SHAM和PG可阻断光对生长的恢复，而电子载体TMPD和DCIP能绕过抗霉素阻断恢复暗处生长，表明光照诱导了一种细胞质合成的替代氧化酶系统，可能涉及细胞色素P-450或黄素氧化酶。该发现为通过调控光和呼吸途径提高虾青素产量提供了潜在策略。
创新点
发现光可通过诱导细胞质合成的替代氧化酶系统解除抗霉素对P. rhodozyma生长的抑制，并使类胡萝卜素（尤其虾青素）合成增加约2倍；蓝光对高类胡萝卜素突变株具有更强光敏性；提出该替代氧化酶可能涉及细胞色素P-450或黄素氧化酶。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Phaffia rhodozyma | 类胡萝卜素生物合成（虾青素合成） | — | 替代氧化酶（alternative oxidase） | 能量供给 | 光诱导，抗霉素抑制主呼吸链时提供电子传递，解除生长抑制并促进类胡萝卜素合成 |
| Phaffia rhodozyma | 类胡萝卜素生物合成（虾青素合成） | — | 细胞色素P-450（推测） | 催化 | 可能催化胡萝卜素氧化为叶黄素，初步抑制剂实验表明其参与作用 |
| Phaffia rhodozyma | 呼吸代谢（抗霉素敏感呼吸链） | — | 线粒体电子传递链复合体（含细胞色素b） | 能量供给 | 抗霉素A抑制细胞色素b，导致生长受阻；光诱导替代途径可绕过此阻断 |
关键发现
- 高强度光抑制P. rhodozyma在琼脂平板上的生长并减少类胡萝卜素合成，β-zeacarotene增加，β-胡萝卜素和叶黄素（虾青素、phoenicoxanthin、HDCO）减少。液体培养中，抗霉素（0.2 μM）抑制野生型UCD-FST-67-385生长，光照可缓解抑制，并使类胡萝卜素含量从暗处抗霉素处理的480 μg/g提高到1000 μg/g（约2倍）
- 突变株18-13-6在抗霉素+光照下类胡萝卜素从540 μg/g增至1410 μg/g（2-3倍）。蓝光对突变株ant-1-4的生长抑制明显（蓝光下38 mg/plate，暗处170 mg/plate）。替代氧化酶抑制剂SHAM（3.0 mM）和PG（2.0 mM）阻断光对生长恢复
- TMPD（100 μM）和DCIP（50 μM）可绕过抗霉素阻断恢复暗处生长。细胞质蛋白合成抑制剂（α-amanitin 10 μM、cycloheximide 1 μM）阻止光缓解，而线粒体抑制剂（chloramphenicol、rifampicin）不影响。光+抗霉素条件下β-zeacarotene出现，phoenicoxanthin减少。
研究结论
光通过诱导一种细胞质合成的替代氧化酶系统，使P. rhodozyma在主呼吸链被抗霉素抑制时仍能生长，同时刺激类胡萝卜素（尤其虾青素）的生物合成；该氧化酶可能包含细胞色素P-450或黄素氧化酶，对菌株改造以提高虾青素产量具有潜在价值。