Whole genome sequencing and metabolomics analyses reveal the biosynthesis of nerol in a multi-stress-tolerant Meyerozyma guilliermondii GXDK6
- 作者
- Xueyan Mo, Xinghua Cai, Qinyan Hui, Huijie Sun, Ran Yu, Ru Bu, Bing Yan, Qian Ou, Quanwen Li, Sheng He, Chengjian Jiang
- 单位
- 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广西微生物与酶工程研究中心，广西大学生命科学与技术学院，南宁530004；广西红树林保护与利用重点实验室，广西红树林研究中心，广西科学院，北海536000；广西出生缺陷防治研究所，广西壮族自治区妇幼保健院，南宁530033
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2021）
- DOI
- 10.1186/s12934-020-01490-2
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏天然产香微生物，尤其是能耐受多重胁迫并产生橙花醇（nerol）的益生菌，导致橙花醇的生物合成难以实现，而化学合成存在成本高、工艺复杂、污染严重、产率低和副产物多等缺点。
研究策略
从亚热带红树林沉积物中分离一株多重胁迫耐受的产香酵母GXDK6，利用全基因组测序和基于GC-MS的代谢组学技术鉴定其分类地位和产香特性，结合基因组注释与蛋白结构分析揭示橙花醇的生物合成途径及关键酶。
核心内容
本研究从亚热带红树林沉积物中分离到一株多重胁迫耐受的产香酵母GXDK6，通过全基因组测序和GC-MS代谢组学分析，确认为Meyerozyma guilliermondii。该菌在pH 2.5至10.0、NaCl浓度12%、KCl或MgCl₂浓度18%及多种重金属条件下均可生长，45°C时相对生物量降至25.22%。GXDK6可利用21种单一有机碳源，其中以山梨醇为碳源时生长最佳（干重约1.499 g/L）。以葡萄糖、蔗糖、果糖、木糖为底物发酵72小时，分别检测到9至14种芳香代谢物，共同产物包括异戊醇、橙花醇、苯乙醇、甲酸和丙酸。以葡萄糖为底物时，橙花醇积累量达2.740 mg/L，显著高于已报道的大肠杆菌工程菌（0.053±0.015 mg/L）。基因组注释与蛋白结构分析提示橙花醇可能经由香叶基二磷酸酶、单萜二磷酸酶及香叶醇异构酶等催化合成。该研究首次揭示了多胁迫耐受酵母中橙花醇的内源生物合成机制，GXDK6在复杂发酵环境中具有生产芳香化合物的应用潜力。
创新点
1. 首次从亚热带海洋红树林沉积物中分离得到多重胁迫耐受的产香益生菌Meyerozyma guilliermondii GXDK6；2. 发现GXDK6能利用21种单一有机碳源发酵并产生多种芳香代谢物，其中橙花醇为其新发现的芳香代谢产物；3. 揭示了GXDK6中橙花醇的内源生物合成机制，其橙花醇产量高于已报道的大肠杆菌工程菌。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Meyerozyma guilliermondii GXDK6 | 橙花醇(nerol)生物合成途径 | — | Geranyl diphosphatase | 催化 | 香叶基二磷酸酶，二聚体蛋白约65 kDa，配体为Mn2+，催化香叶基二磷酸生成，参与nerol生物合成 |
| Meyerozyma guilliermondii GXDK6 | 橙花醇(nerol)生物合成途径 | — | Monoterpenyl diphosphatase | 催化 | 单萜二磷酸酶，二聚体蛋白约68 kDa，未发现配体，属于非变构辅助催化酶，参与nerol合成 |
| Meyerozyma guilliermondii GXDK6 | 橙花醇(nerol)生物合成途径 | — | Geraniol isomerase | 催化 | 香叶醇异构酶，五聚体蛋白约44 kDa，配体为香叶醇，催化香叶醇异构化生成nerol |
| Meyerozyma guilliermondii GXDK6 | 橙花醇(nerol)代谢转化途径 | — | Geraniol 8-hydroxyase | 催化 | 香叶醇8-羟化酶，单体蛋白约55 kDa，未发现配体，催化nerol后续羟基化转化 |
| Meyerozyma guilliermondii GXDK6 | 橙花醇(nerol)代谢转化途径 | — | Alcohol dehydrogenase | 催化 | 乙醇脱氢酶，单体蛋白约39 kDa，配体为Zn2+，参与nerol相关的醇醛转化 |
| Meyerozyma guilliermondii GXDK6 | 橙花醇(nerol)代谢转化途径 | — | Geraniol dehydrogenase | 催化 | 香叶醇脱氢酶，二聚体蛋白约41 kDa，未发现配体，属于非变构辅助催化酶，参与nerol代谢转化 |
关键发现
- GXDK6在pH 2.5-10.0范围内均可生长
- 耐NaCl浓度达12%，耐KCl或MgCl2浓度达18%
- 对Mn2+最大耐受浓度为5494 ppm，对Cu2+耐受浓度>1000 ppm，对Co2+、Cr2+、Zn2+耐受浓度>250 ppm
- 最适生长温度30-37°C，45°C时相对生物量降至25.22%，50°C停止繁殖。基因组大小约15,000 bp，GC含量38.88%，Q30为86.73%。GXDK6可利用21种单一有机碳源，其中以山梨醇为碳源时生长最好（干重约1.499 g/L），最差为L-鼠李糖（约0.437 g/L）。以葡萄糖、蔗糖、果糖、木糖为单一碳源发酵72 h，分别检测到14、20、16、26个峰，芳香代谢物分别有9、13、8、14种。五种共同芳香代谢物为异戊醇、橙花醇、苯乙醇、甲酸和丙酸。以葡萄糖为底物时，橙花醇积累量约2.740 mg/L（p<0.05），远高于大肠杆菌工程菌的0.053±0.015 mg/L。此外，葡萄糖发酵中异戊醇含量15.24%，乙醇9.83%，橙花醇6.60%
- 蔗糖发酵中异戊醇17.60%，乙醇9.13%，橙花醇6.46%
- 果糖和木糖发酵中橙花醇含量分别为10.15%和9.17%。
研究结论
通过全基因组测序和代谢组学成功鉴定了一株具有多重胁迫耐受性的新型产香菌Meyerozyma guilliermondii GXDK6，其能在酸、碱、盐、重金属及较宽温度范围内生长，并能利用多种有机碳源产生丰富的芳香代谢产物，且首次揭示了该菌中橙花醇的生物合成机制。GXDK6在发酵工业中具有重要的潜在应用价值。