ARTP诱变技术提升路德类酵母γ-癸内酯产量的机制解析：基因组与转录组联合分析

《Progrès en Urologie - FMC》：ARTP mutagenesis-driven γ-decalactone overproduction in Clavispora lusitaniae: Mechanistic insights from genomic and transcriptomic analyses

本研究针对化学合成γ-癸内酯（GDL）存在外消旋化和环境污染问题，通过ARTP诱变技术选育获得一株高产GDL的Clavispora lusitaniae突变株A69。该突变株在48小时发酵期内GDL产量提升36%至1.57 g/L，经工艺优化后第8天产量达3.78 g/L。基因组学与转录组学分析揭示其高产机制与POX1基因突变及ALD4、FAA2基因上调相关，为微生物法高效生产天然香料提供了新策略。

　　

在当今追求天然、健康与环保的时代浪潮中，天然香料因其独特香气和生物活性而备受食品、化妆品和精细化工行业的青睐。γ-癸内酯（GDL）作为一种具有桃子和椰子香气的天然内酯，不仅是高档香精配方的核心成分，最新研究更发现其能有效抑制与帕金森病相关的单胺氧化酶-B（MAO-B），展现出巨大的治疗潜力。然而，传统化学合成法存在外消旋化导致香气劣变、环境污染严重等瓶颈，极大限制了GDL的产业化发展。

面对这一挑战，微生物发酵法因其能生产光学纯GDL而成为可持续替代方案。但天然产GDL的微生物种类稀少，且现有菌株产量普遍较低。虽然基因工程手段能有效提升产量，但其技术复杂度高、周期长且存在生物安全争议。因此，开发高效、安全的菌株选育新方法成为行业迫切需求。

发表于《Progrès en Urologie - FMC》的研究论文创新性地采用大气室温等离子体（ARTP）诱变技术对分离自广东米酒酒曲的路德类酵母（Clavispora lusitaniae）进行育种改良。研究人员通过系统优化诱变条件，获得一株遗传稳定性良好的高产突变株A69。该菌株在48小时发酵期内GDL产量达到1.57 g/L，较原始菌株提升36%；通过发酵工艺优化，第8天产量进一步提升至3.78 g/L。为解析高产机制，研究团队整合基因组与转录组分析技术，发现POX1基因突变和ALD4、FAA2基因表达上调共同促进了β-氧化代谢通路的效率，从而显著提升GDL生物合成能力。

关键技术方法包括：采用ARTP诱变系统处理出发菌株；通过致死率曲线确定最佳诱变参数；利用高效液相色谱（HPLC）定量分析GDL产量；结合全基因组重测序和RNA-seq技术解析突变位点及差异表达基因；采用扫描电镜观察细胞形态变化。

主要研究结果

ARTP诱变条件优化与突变株筛选

研究显示当ARTP处理时间达120秒时，菌株致死率维持在80%左右的最佳区间。从数千个突变株中筛选获得GDL产量显著提升的A69突变株，该菌株在传代10次后仍保持产量稳定性，表明其遗传性状稳定。

突变株发酵性能表征

在初始发酵条件下，A69菌株48小时GDL产量为1.57 g/L，较原始菌株（1.15 g/L）提升36%。通过优化碳氮比、接种量和诱导时间等参数，最终使GDL产量在第8天达到3.78 g/L的峰值。

细胞形态与膜完整性分析

扫描电镜观察发现突变株细胞表面粗糙度增加，膜通透性增强。推测这种形态变化可能有利于底物蓖麻油酸的吸收和产物GDL的分泌，从而提升转化效率。

基因组与转录组机制解析

全基因组重测序鉴定出A69菌株中与β-氧化途径相关的POX1基因发生错义突变，可能导致其编码的酰基辅酶A氧化酶活性改变。转录组分析显示脂肪酸降解途径关键基因ALD4（醛脱氢酶）和FAA2（脂肪酸活化酶）表达显著上调2-3倍，共同增强了前体蓖麻油酸的降解效率。此外，NADPH依赖型脱氢酶基因表达上调，改善了辅因子平衡，为GDL合成提供充足还原力。

研究结论与展望

本研究首次将ARTP诱变技术成功应用于GDL生产菌株的选育，创制的高产突变株A69为微生物法生产天然香料提供了新种质资源。多组学分析从分子水平揭示了ARTP诱变促进GDL合成的双重机制：一方面通过POX1基因突变优化β-氧化途径，另一方面通过上调ALD4、FAA2等基因表达增强脂肪酸降解效率。这些发现不仅为ARTP诱变技术的分子机制研究提供了新见解，也为非模式酵母的代谢工程改造提供了靶点参考。该技术路线规避了基因工程菌的生物安全争议，为食品和化妆品行业提供了一种绿色可持续的天然香料生产方案，具有重要的产业化应用前景。