钙离子调控与营养胁迫对产油真菌卷枝毛霉发酵驱动脂质积累的影响机制研究

本研究针对产油真菌脂质积累调控机制不明确的问题，通过系统评估不同Ca2+ 浓度对卷枝毛霉WJ11菌株发酵过程中细胞干重（CDW）、脂质产量及脂肪酸（FAs）组成的影响，首次揭示了Ca2+ 通过上调钙调磷酸酶（CnaA/B/C）及其调控亚基（CAR1）表达，显著提升γ-亚麻酸（GLA）等工业价值脂肪酸产量的分子机制。该成果为微生物油脂工业化生产提供了新型调控策略，发表于《Food Bioscience》。

　　

微生物油脂作为传统植物油的可持续替代品，在生物燃料、营养保健品和化妆品领域具有巨大潜力。产油真菌因其20-80%的极高脂质积累能力备受关注，其中卷枝毛霉（Mucor circinelloides）不仅能合成占总生物量36%的脂质，更是γ-亚麻酸（GLA）等必需脂肪酸的重要微生物工厂。然而，当前工业化生产面临两大瓶颈：一是脂质产量提升遭遇瓶颈，二是调控机制研究集中于碳氮源等传统因素，对钙离子（Ca²⁺
）这一关键第二信使的作用认知严重不足。已有研究表明，钙调磷酸酶（calcineurin）通路在真菌代谢调控中扮演核心角色，但其在脂质合成中的具体功能仍属空白。

为破解这一科学难题，中国的研究团队以卷枝毛霉WJ11为模型，开展了一项突破性研究。通过设计0-20 g/L的Ca²⁺
浓度梯度发酵实验，结合气体色谱（GC）分析和基因表达检测，系统解析了Ca²⁺
对真菌生长和脂质代谢的双重调控作用。研究发现，0.3 g/L Ca²⁺
可使脂质产量从对照组的34%提升至42%细胞干重（CDW），同时显著改变脂肪酸谱——高浓度Ca²⁺
（12.5-20 g/L）促进特定脂肪酸合成，而最适浓度则优先积累硬脂酸（C18:0）和GLA（C18:3）。分子机制研究表明，钙调磷酸酶催化亚基（CnaA/B/C）和调控亚基（CAR1）在发酵12小时后显著上调，证实Ca²⁺
信号通过激活该通路调控脂质合成关键酶基因表达。这项发表于《Food Bioscience》的研究，首次建立了Ca²⁺
-calcineurin-脂质代谢的分子调控轴，为微生物油脂的精准调控提供了新靶点。

研究采用三大关键技术：1）梯度Ca²⁺
浓度发酵培养（0-20 g/L）；2）气相色谱（GC）分析脂肪酸组成；3）实时荧光定量PCR检测钙调磷酸酶亚基及脂质合成相关基因表达。

【Strain and culture conditions】
使用中国典型培养物保藏中心（CCTCC）保藏的WJ11菌株，在含梯度Ca²⁺
的K&R培养基中进行96小时发酵，建立不同钙离子微环境模型。

【Effect of different Ca²⁺
concentrations】
实验数据显示：2.5 g/L Ca²⁺
时获得最大CDW（17.2 g/L），而0.3 g/L时脂质产量达峰值（42%）。高浓度组（12.5-20 g/L）显著提升特定脂肪酸产量，揭示Ca²⁺
对脂质组分具有浓度依赖性调控。

【Discussion】
研究阐明Ca²⁺
通过双重机制发挥作用：生理浓度（0.3-0.5 g/L）通过激活calcineurin通路促进总脂积累，而高浓度则可能诱导应激反应改变脂肪酸谱。特别值得注意的是，GLA产量的提升为功能性油脂开发提供了新思路。

结论部分强调，该研究不仅首次揭示Ca²⁺
在卷枝毛霉脂质合成中的核心作用，更创新性地提出"钙离子指纹"调控策略——通过精确控制发酵过程中Ca²⁺
浓度时空分布，可定向获得不同特性的微生物油脂。这一发现对实现微生物油脂的定制化生产具有重要工业价值，同时为理解真菌代谢调控网络提供了新视角。研究获得中国国家自然科学基金（31972851）和沙特Taif大学（TU-DSPP-2024-186）联合资助，体现了国际合作在微生物制造领域的战略意义。