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为解决固态发酵（SSF）在花生四烯酸（ARA）脂质生产中优势不明显的问题，研究人员开展了琼脂支撑固态发酵（AgSF）诱导高山被孢霉 M0223 产 ARA 脂质的研究。结果表明 AgSF 可提高 ARA 脂质产量，该研究为 ARA 生产提供新策略。
在生命的微观世界里，有一种物质至关重要，它就是花生四烯酸（ARA）。ARA 作为人体中最丰富的 C
20多不饱和脂肪酸（PUFAs），在众多生理过程中都扮演着关键角色。它不仅参与炎症反应、情绪调节和认知功能改善，还对中枢神经系统发育意义重大，因此在医药、营养、化妆品等多个领域都有广泛应用。目前，微生物源脂质是 ARA 的主要替代来源，其中高山被孢霉（Mortierella alpina）的液体深层发酵（SmF）是生产 ARA 的主要方式。
然而，随着科技的发展和环保意识的增强，人们发现液体深层发酵存在一些弊端。而固态发酵（SSF）作为一种新兴的发酵技术，具有减少废水产生、降低能源消耗和提高生产力等优点，逐渐受到关注。它模拟了真菌的自然栖息地，尤其适合丝状真菌生长，在酶生产、生物燃料合成等领域已取得成功应用。但在 ARA 脂质生产方面，SSF 的优势尚未充分展现，其使用天然底物时存在 ARA 含量和脂质产量不足、分离菌丝困难等问题，限制了对其机制的深入研究。此外，琼脂支撑固态发酵（AgSF）虽常用于菌株的分离、保存和筛选，但作为发酵策略的潜力及在研究丝状真菌生理学方面的应用还未得到充分探索。
为了深入了解 AgSF 在高山被孢霉生产 ARA 脂质中的潜力，华中科技大学的研究人员展开了一系列研究。他们以高山被孢霉 M0223 为研究对象，通过系统评估 AgSF 与 SmF 培养下菌株的差异，分析菌丝特性、脂质谱和生理状态，并对发酵过程进行优化，旨在为高山被孢霉发酵提供新的理论基础，找到生产富含 ARA 脂质的新策略，同时为油脂微生物脂质合成机制提供新见解。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员在实验过程中，运用了多种关键技术方法。在培养方法上，分别采用了液体深层发酵、琼脂支撑固态发酵以及液体表面静态培养（LSSC）对高山被孢霉 M0223 进行培养。利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察菌丝形态；通过转录组分析，包括 RNA 测序、基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）功能注释及基因集富集分析（GSEA），探究不同菌丝在转录水平的差异；借助实时荧光定量聚合酶链反应（RT-qPCR）分析关键酶基因的表达；使用微电极系统和便携式溶解氧仪检测不同培养环境中的氧气含量 。
菌丝特征和脂质谱分析
研究人员对比了 AgSF 和 SmF 培养的高山被孢霉 M0223，发现 AgSF-M0223 生物量略低，但脂质含量显著更高，ARA 占总脂肪酸的比例也大幅增加，单位菌丝的 ARA 含量更是远超 SmF-M0223。形态学观察显示，AgSF-M0223 形成了由气生菌丝（AH）、表面菌丝（SH）和穿透菌丝（PH）组成的典型 SSF 菌丝网络，其中高密度的 SH 在促进富含 ARA 脂质的生产中起关键作用。进一步比较 AH、SH 和液体深层发酵中的营养菌丝（VH）的脂质和 ARA 合成能力，发现 SH 和 AH 的初始脂质和 ARA 水平较高，且 SH 的积累能力更强。
转录组分析
为了探究 AgSF-M0223 高产富含 ARA 脂质的原因，研究人员对快速脂质合成阶段的 AH、SH 和 VH 进行 RNA 测序和分析。基因集富集分析（GSEA）结果表明，AH 的初级代谢减弱，蛋白质合成能力较弱，氧化应激水平较低；而 SH 的核糖体功能增强，蛋白质合成活跃，甘油磷脂和甘油脂代谢上调，有利于脂质和 ARA 的积累。在脂质代谢相关基因的转录分析中发现，SH 的糖酵解能力与 VH 相似，但柠檬酸循环较弱，使得更多葡萄糖流向脂肪酸合成，同时 SH 中脂肪酸 β- 氧化（FAO）减少，甘油三酯合成和甘油磷脂代谢增强，这些因素共同促进了 SH 中脂质和 ARA 的积累 。并且，研究发现 SH 在快速脂质合成阶段处于低氧微环境，这可能是其脂质合成增强的重要原因。
优化发酵条件提高脂质积累
根据转录组和脂质谱分析，研究人员推测 AH 的脂质合成可能受葡萄糖缺乏限制，因此采用培养基喷雾策略为 AH 提供营养。结果显示，喷雾后 AH 中葡萄糖转运、糖酵解和柠檬酸循环关键酶基因的表达上调，脂肪酸和 ARA 合成能力增强；SH 中相关基因表达也有所上调，脂质和 ARA 水平同样显著增加。此外，研究人员还探究了不同营养成分浓度对 AgSF-M0223 的影响，确定了各营养成分的最佳浓度。在此基础上，结合培养基喷雾策略，AgSF-M0223 的 ARA 和脂质产量大幅提高 。
研究表明，AgSF 可诱导高山被孢霉 M0223 产生更高产量的富含 ARA 脂质。SH 中增强的脂质合成能力，以及 AH 和 SH 相较于 VH 更高的起始脂质和 ARA 含量，共同造就了 AgSF-M0223 的优势。通过优化发酵条件，包括喷雾策略和营养成分优化，进一步提升了其生产富含 ARA 脂质的能力。该研究为理解固态发酵中真菌生理学与 ARA 脂质积累的关系提供了新视角，为生产富含 ARA 脂质提供了一种有前景的环保发酵策略。同时，研究还发现低氧微环境在脂质合成中可能发挥重要作用，为后续深入研究脂质合成机制提供了方向。此外，AgSF 在避免传统发酵问题、降低成本和实现自动化生产方面具有潜力，有望在未来工业生产中得到更广泛应用。
