热胁迫与葡萄糖饥饿协同调控红酵母类胡萝卜素生物合成的多组学机制研究

本研究针对工业发酵过程中环境胁迫对红酵母(Rhodotorula glutinis)类胡萝卜素合成的调控机制展开探索。研究人员通过整合转录组学和代谢组学分析，揭示了热胁迫(30°C)与葡萄糖饥饿协同作用下，酵母通过调节细胞周期、能量代谢和膜完整性维持等途径，优先将乙酰-CoA导向类胡萝卜素生物合成，同时激活非酶抗氧化系统(如谷胱甘肽代谢)以应对升高的活性氧(ROS)水平。该研究为优化发酵工艺和提高类胡萝卜素产量提供了分子基础，成果发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

　　

在追求可持续发展的今天，微生物发酵生产高附加值化合物已成为生物技术领域的热点。类胡萝卜素作为一类具有抗氧化、增强免疫等功能的萜类化合物，在食品、医药和化妆品行业需求旺盛。然而，工业发酵过程中动态变化的环境因素（如温度波动、营养限制）常导致微生物代谢紊乱，成为制约产量提升的瓶颈。尤其值得注意的是，红酵母这类产油酵母对环境变化极为敏感，其类胡萝卜素合成途径与胁迫响应机制存在复杂关联。

昆明理工大学的研究人员以从云南泸沽湖分离的耐冷红酵母Rhodotorula glutinis YM25079为研究对象，创新性地探讨了热胁迫与葡萄糖饥饿双重胁迫对类胡萝卜素合成的协同效应。研究发现，当培养温度从15°C升至30°C时，酵母早期生长速率加快但后期生物量降低，而类胡萝卜素含量在72小时后显著增加。更引人注目的是，当培养进入葡萄糖饥饿阶段（72小时后），这种促进作用被进一步放大，表明两种胁迫存在叠加效应。相关成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上，为通过环境胁迫调控提高微生物次级代谢产物产量提供了新思路。

研究采用多组学联用技术：通过RNA-seq分析差异表达基因(DEGs)，结合LC-MS/MS非靶向代谢组学检测差异代谢物(DAMs)，利用趋势分析和蛋白质互作网络(PPI)筛选核心调控因子。样本队列包括常温对照组(15°C)、葡萄糖饥饿组(96小时)和双重胁迫组(30°C+96小时)。

热胁迫单独作用机制

高温导致ROS水平升高(Figure S1b)，但抗氧化酶系统受损：过氧化氢酶(CAT, EVM0001641)表达下调4.91倍，谷胱甘肽S-转移酶(GST, EVM0000788)活性降低。作为补偿，酵母通过增加类胡萝卜素积累（72小时提高2.97倍）和调节膜脂组成（硬脂酰-CoA去饱和酶下调1.35倍）来维持细胞稳态。

双重胁迫协同效应

葡萄糖饥饿引发代谢重编程：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PCK)上调1.80倍促进糖异生；脂肪酸β-氧化相关基因（如酰基-CoA氧化酶ACOX）表达增强8.35倍，为甲羟戊酸途径(MVA)提供更多乙酰-CoA。值得注意的是，乙酰-CoA被优先分配给类胡萝卜素合成而非脂质合成（FAS2基因下调1.72倍）。

核心调控网络

鉴定出L-蛋氨酸（上调5.26倍）、shogaol（上调2.97倍）等6个枢纽代谢物，与甘油醛-3-磷酸脱氢酶（上调4.32倍）等34个基因构成调控网络。长寿调节通路(ko04213)和谷胱甘肽代谢(ko00480)被显著激活，表明细胞通过能量限制模拟和氧化应激响应实现胁迫适应。

这项研究首次系统阐明了热胁迫与营养限制双重作用下红酵母的代谢重塑机制。研究发现双重胁迫通过三种关键方式促进类胡萝卜素合成：(1)增加ROS生成但抑制酶抗氧化系统，迫使细胞依赖类胡萝卜素等非酶抗氧化剂；(2)通过PDH旁路（丙酮酸脱羧酶上调4.02倍）和脂肪酸β-氧化增强乙酰-CoA供应；(3)调控C/N平衡使碳流向次级代谢。这些发现不仅为优化工业发酵参数（如采用梯度升温结合碳源限制策略）提供了理论依据，也为通过合成生物学改造酵母代谢网络指明了靶点。未来研究可进一步筛选耐热菌株以解决生物量与产物产量的权衡问题，推动微生物源类胡萝卜素的产业化应用。