稀土元素镧对胶红酵母产类胡萝卜素的影响及分子机制研究

作     者：张红 

作者单位：内蒙古科技大学包头师范学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘建青;马勇

授予年度：2024年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071007[理学-遗传学] 

主      题：类胡萝卜素 胶红酵母 氯化镧 分子机制 

摘      要：类胡萝卜素是脂溶性萜类化合物,在自然界中展现了多种生物学功能,从而赋予其在不同领域中较高的应用价值。胶红酵母作为发酵类胡萝卜素的底盘微生物具有繁殖周期短、培养成本低、目标产物得率高等优点。内蒙古包头市是全球知名的稀土资源富集地,然而,关于稀土资源在微生物领域的应用仍在不断探索。稀土元素可以通过调节微生物细胞内外的环境,从而促进微生物细胞对营养物质的吸收和利用,从而提高其生长速率和代谢性能。因此,本课题对稀土元素镧提高胶红酵母合成类胡萝卜素的含量及其分子机制进行了研究。选取胶红酵母菌株RM-6作为实验材料,通过单因素及正交法对培养条件进行优化,后续使用梯度法探究LaCl的最适添加浓度并利用多组学联合分析技术明确在LaCl处理下产类胡萝卜素代谢通路中相关基因的表达变化情况,主要研究结果如下: （1）经形态学特性及分子生物学方法鉴定RM-6为胶红酵母菌株;（2）RM-6菌株的类胡萝卜素浸提液经全波长扫描,确定其特征吸收波长为484 nm;（3）通过单因素和正交法的优化,已确定RM-6菌株发酵培养基的最优碳源为2%的葡萄糖、最适氮源为1.5%的酵母浸粉、最适无机盐为0.05%的柠檬酸钠,且菌体干重及类胡萝卜素的含量分别为7.70 g/L、213.39μg/g;（4）研究验证,LaCl和Ce Cl均可提高RM-6菌株合成类胡萝卜素的含量,且最适添加浓度分别为100 mg/L、200 mg/L,类胡萝卜素的含量分别为248.82μg/g、218.23μg/g。两者相较,LaCl的效果更为显著,这一发现为后续的分子机制研究提供了重要的线索;（5）在LaCl添加浓度为0 mg/L、100 mg/L、400 mg/L下,代谢组分析揭示,主要富集的代谢通路为新陈代谢过程,其中有泛醌和其他萜类醌生物合成、谷胱甘肽代谢、萜类主链生物合成、二萜生物合成、倍半萜和三萜生物合成及类胡萝卜素生物合成等;（6）在上述LaCl的添加量下,组学分析结果显示,在LaCl添加浓度为100mg/L时,有118个基因表达量显著变化,其中33个上调,85个下调,而在LaCl添加浓度为400 mg/L时,有40个基因表达量显著变化,其中5个上调,35个下调。其中RM-6菌株合成类胡萝卜素代谢途径中相关基因HMGCR（双牻牛儿基焦磷酸合成酶基因）、IPP1（异戊烯基二磷酸异构酶基因）、AL2（番茄红素环化酶基因）、CAR1（八氢番茄红素去饱和酶基因）、ERG9（鲨烯合酶基因）、CQ10（辅酶Q10还原酶基因）显著上调,AL1（八氢番茄红素脱氢酶基因）下调。 （7）高效液相色谱分析进一步验证了LaCl对类胡萝卜素组分含量的影响。在LaCl浓度为100 mg/L处理下,RM-6菌株中类胡萝卜素不同组分的含量呈现出显著的上升趋势,β-胡萝卜素、番茄红素、虾青素的含量提高了10.74%、5.02%、3.22%;当处理浓度提升至400 mg/L时,上述组分的含量均下降。 综上,RM-6菌株在添加适宜浓度的LaCl后上调了类胡萝卜素代谢通路中关键基因的表达导致菌体内β-胡萝卜素、番茄红素、虾青素产量增加。本研究旨在解析稀土元素促进微生物代谢产物类胡萝卜素含量增加的分子机制,为大规模增产有价值的类胡萝卜素产物提供了理论基础和新的研究方向。