新型红酵母Rhodosporidiobolus sp. SP3-3/4的虾青素合成增强机制与基因组特征解析

研究人员针对天然虾青素(ASX)生产效率低下的问题，通过基因组分析和培养条件优化，在新型红酵母Rhodosporidiobolus sp. SP3-3/4中鉴定了CrtE/YB/I/S/R/W/O/Z等关键合成基因，优化后产量达6.93 mg/L，为工业化生产提供了优质菌种资源和理论依据。

　　

在健康食品和医药领域，天然虾青素(astaxanthin, ASX)因其超强抗氧化活性（比维生素E强100-1000倍）备受关注。然而当前主要生产源——雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)存在培养周期长、成本高等瓶颈，而常见酵母生产菌株Xanthophyllomyces dendrorhous又面临产量低、温度敏感等问题。更棘手的是，合成虾青素因存在毒性残留未被批准用于人类消费，这使得开发高效安全的天然生产系统成为行业迫切需求。

泰国国王科技大学(King Mongkut’s University of Technology Thonburi, KMUTT)的研究团队从植物样本中分离获得一株性能优异的新型红酵母SP3-3/4。通过Illumina HiSeq Xten等平台完成全基因组测序，结合HPLC和LC-MS验证，系统研究了其虾青素合成能力。研究采用单因素优化法确定最佳培养参数，通过KEGG和CAZy数据库进行功能注释，并运用OrthoVenn2工具开展比较基因组分析。

【鉴定与基因组分析】

菌株SP3-3/4经D1/D2区序列分析显示与R. ruineniae CBS 5001^T相似度达99.66%，但全基因组平均核苷酸一致性(ANI)仅82.54%，低于新种判定阈值。24.4 Mb的基因组中预测到7,782个蛋白编码基因，包含完整的虾青素合成通路基因簇。特别值得注意的是，该菌株同时具备CrtW和CrtO两种β-胡萝卜素酮化酶，为代谢工程改造提供了更多选择。

【虾青素合成通路】

研究完整解析了从乙酰辅酶A到虾青素的合成路径：乙酰辅酶A经甲羟戊酸途径(MVA)生成GGPP后，通过CrtE/YB/I酶系转化为β-胡萝卜素，随后由CrtS/R或CrtW/O/Z两条并行通路最终合成虾青素。其中CrtS作为多功能酶，兼具酮化酶和羟化酶活性，是产量调控的关键靶点。

【培养条件优化】

通过单因素实验确定最佳条件为：20 g/L蔗糖为碳源（比葡萄糖提高33%产量），3 g/L酵母提取物+5 g/L蛋白胨为氮源，pH 6.5，20°C培养5天。在此条件下获得最高生物量9.615 g/L，虾青素含量0.46 mg/g DCW，生产率达1.45 mg/L/day。研究发现蔗糖的双糖结构可能通过诱导渗透压应激反应促进次级代谢产物积累。

该研究首次系统阐明了Rhodosporidiobolus属酵母的虾青素合成网络，其鉴定的新型菌株SP3-3/4在常温下即展现优异的生产性能，避免了常规生产菌需要的低温培养条件。基因组注释发现的丰富CAZyme（650个碳水化合物活性酶）更提示该菌可利用廉价农林废弃物作为底物，这对降低工业化生产成本具有重要价值。论文发表于《Journal of Agriculture and Food Research》，为天然抗氧化剂的微生物制造提供了新的解决方案。