盐渍土壤真菌Aspergillus tubingensis FF14的叶黄素生物合成基因组解析及生物技术潜力

《Microbiology Spectrum》：Genomic insights and biotechnological potential of a saline soil fungus Aspergillus tubingensis FF14 for xanthophyll biosynthesis

　　

微生物色素的产生通常是应对环境胁迫（包括盐胁迫、氧化胁迫和营养限制）的生理反应。本研究针对一株分离自自然盐渍化沿海土壤的丝状真菌Aspergillus tubingensis FF14，该区域周期性受海水侵入。该菌株产生独特的橙红色胞内色素，经超高效液相色谱-二极管阵列检测-电喷雾电离质谱（UHPLC-DAD-ESI-MS）鉴定为由紫黄质（violaxanthin）、花药黄质（antheraxanthin）和新黄质（neoxanthin）三种叶黄素组成的混合物。这是首次在曲霉属（Aspergillus）中报道叶黄素的生物合成。此外，研究人员评估了提取色素混合物的抗氧化潜力。优化实验表明，在pH 3、温度30°C、氯化钠浓度5%（vol/vol）及麦芽提取物培养基体积30%条件下，色素产量达到最高。全基因组测序与注释揭示了含有番茄红素环化酶（lycopene cyclase）和八氢番茄红素合酶（phytoene synthase）结构域的生物合成基因簇（BGCs），提示其参与C40类胡萝卜素生物合成的早期步骤。尽管识别到可能与类胡萝卜素合成相关的BGCs，但A. tubingensis FF14中叶黄素生物合成的具体机制仍有待阐明。这些发现为真菌类胡萝卜素代谢提供了新见解，并证明A. tubingensis FF14可作为可持续的类胡萝卜素色素来源。

研究背景与意义

天然色素在多种生物中具有关键的生态适应功能，微生物因生长周期短、培养条件灵活而成为色素生产的重要来源。极端环境微生物（如嗜盐菌）常通过合成保护性化合物（包括类胡萝卜素）应对高盐、强紫外线等胁迫。类胡萝卜素不仅能抵御氧化损伤，还可维持膜流动性，但其合成途径在真菌尤其是野生型曲霉属中研究较少。此前，曲霉属黄色色素虽有报道，但化学结构与遗传基础多未明确，且尚未在Aspergillus tubingensis中发现叶黄素合成的证据。本研究从意大利沿海盐渍土中分离得到A. tubingensis FF14，旨在解析其叶黄素合成的代谢产物特征、遗传基础及应用潜力，填补该属在叶黄素生物合成领域的空白。研究成果发表于《Microbiology Spectrum》。

主要技术方法

研究人员从意大利格罗塞托省Burano地区盐渍土中分离菌株FF14，经形态学与全基因组测序鉴定为A. tubingensis。色素经丙酮/甲醇提取后，采用紫外-可见光谱（UV-Vis）和UHPLC-DAD-ESI-MS/MS进行结构鉴定，并以β-胡萝卜素为标准对照。全基因组采用Illumina测序平台进行双端测序，经Trimmomatic质控、MEGAHIT组装及RagTag校正获得高质量基因组，并利用AUGUSTUS进行基因预测，结合InterPro、KEGG、antiSMASH等进行功能与生物合成基因簇注释。采用Taguchi实验设计优化色素生产条件，并通过DPPH与FRAP法评估抗氧化活性。

研究结果

Characteristics and identification of the pigment-producing strain FF14

菌株FF14在麦芽提取物琼脂（MEA）上呈橙色菌丝，产黑色分生孢子，属曲霉属黑曲霉组（Aspergillus section Nigri）。盐耐受性测试显示，中度盐浓度（2.5%–12.5% NaCl）促进胞内色素积累，无盐或极高盐浓度下几乎不产色素。全基因组系统发育分析将其重新鉴定为A. tubingensis，湿生物质产量为29.25 ± 5.36 g/L，胞内色素含量为20.35 ± 2.67 mg/g湿重。

Pigment analysis

UV-Vis光谱显示色素最大吸收峰在433 nm，符合类胡萝卜素特征。UHPLC-DAD-ESI-MS/MS鉴定出三种叶黄素异构体：新黄质（保留时间1.76 min，[M+H]⁺m/z 601.47）、紫黄质（1.96 min，[M+H]⁺m/z 601.46）和花药黄质（2.25 min，[M+H]⁺m/z 585.47），通过与甜椒和菠菜提取物的色谱行为比对确证。

Genome assembly

基因组大小为35.6 Mb，包含129个contigs，N50为467,307 bp，GC含量48.99%，BUSCO完整性达99.0%，共预测10,010个蛋白编码基因，其中85.14%可归入COG功能类别。

Genome annotations

GO注释显示催化活性（如水解酶、氧化还原酶）与结合功能占主导；COG分类中碳水化合物代谢（G类）与氨基酸代谢（E类）基因丰富。antiSMASH预测到93个次级代谢产物生物合成基因簇，以杂合型、非核糖体肽合成酶（NRPS）和萜烯簇为主。dbCAN注释获得522个碳水化合物活性酶（CAZymes），糖苷水解酶（GHs）占比最高。

Genomic analysis of carotenoid biosynthesis

基因组中存在类胡萝卜素合成核心基因，包括八氢番茄红素脱氢酶（phytoene desaturase，K15745）、5-顺式-八氢番茄红素合酶/番茄红素β-环化酶（K17841）、脱落酸8'-羟化酶（K09843）及β-阿朴-4'-胡萝卜醛加氧酶（K17819）。进一步分析发现contig_70区域的基因簇包含番茄红素环化酶结构域（IPR017825）与八氢番茄红素合酶结构域（IPR002060），可能参与C40类胡萝卜素前体的合成。

Comparative analysis of A. tubingensis genomes

比较22株A. tubingensis基因组发现，contig_70区域的基因簇在所有菌株中高度保守，但contig_70.g8715为FF14特有，且与效应蛋白类似，可能参与调控。

Determination of the best conditions for xanthophylls production

Taguchi实验优化显示最佳条件为pH 3、30°C、5% NaCl、培养基装液量30%，此条件下色素产量提升至39.74 ± 7.92 mg/g湿重，较初始条件提高3倍。温度与盐浓度是影响产量的主要因素（贡献率分别为35.72%和29.19%）。

Antioxidant properties

色素混合物在5 mg/mL浓度下，DPPH自由基清除率达83.77%（120 min），IC₅₀为2.47 ± 0.12 mg/mL；FRAP值为308.57 ± 15.47 μmol Fe²⁺/mL，虽低于β-胡萝卜素，但仍具显著抗氧化活性。

讨论与结论

本研究首次证实野生型A. tubingensis可合成紫黄质、花药黄质和新黄质三种叶黄素，拓展了曲霉属的代谢多样性。基因组分析揭示了保守的类胡萝卜素合成基因簇，但未发现直接参与叶黄素羟基化与环氧化的特异性基因，提示其可能通过未知调控机制或新型酶同源物实现合成。优化后的发酵条件使色素产量显著提升，且提取物表现出稳定的抗氧化能力，在食品着色剂、保健品及化妆品领域具应用潜力。未来需结合转录组学解析其精确合成途径，并探索高产菌株构建策略。