麥吉爾大學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)新型酵母，低溫下可從呼吸作用轉(zhuǎn)為乙醇發(fā)酵適應(yīng)寒冷

近日，科學(xué)家從南極洲麥克默多干谷15萬年前的永久凍土層中分離出新型嗜極酵母Rhodotorula frigidialcoholis，通過表型和系統(tǒng)發(fā)育分析，將R.frigidialco holis歸類為新物種。

地球生物圈大部分處在低于5攝氏度的永久低溫環(huán)境中，包括大面積<0攝氏度的低溫環(huán)境，具備地球上最干燥、生物量最低、寒冷和含鹽量最高等特點(diǎn)。盡管條件如此苛刻，仍有很多能夠進(jìn)行代謝活動甚至在原位生長的微生物存在于此，包括細(xì)菌、古細(xì)菌、藻類和真菌。

這些適應(yīng)寒冷的微生物被稱為嗜冷菌或耐冷菌，能夠在冰川中存活數(shù)千年。生存在這樣的環(huán)境中，微生物必須克服許多生化和生理挑戰(zhàn)，包括低水分和養(yǎng)分利用率、高氧化應(yīng)激、高太陽輻射和多次凍融循環(huán)，膜流動性、酶活性和蛋白質(zhì)折疊的顯著下降，以及穩(wěn)定的二級抑制性DNA/RNA結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

但微生物也會通過進(jìn)化，獲得適應(yīng)這種環(huán)境的性狀，確保在永久凍土層中生存下來。人們對這種冰凍圈冷適應(yīng)微生物充滿了好奇。

曾有過一些關(guān)于北極和南極環(huán)境中的細(xì)菌、古細(xì)菌和藻類的研究。最近，人們對存在于在這些環(huán)境中的真菌產(chǎn)生了興趣。真菌在冰凍圈中起著關(guān)鍵作用，因為它們是通過內(nèi)生和地衣關(guān)系產(chǎn)生初級生物質(zhì)的重要促進(jìn)劑并參與養(yǎng)分循環(huán)。

冰凍圈冷適應(yīng)真菌的一個例子是一種紅酵母屬的單細(xì)胞粉色酵母，在麥吉爾大學(xué)最近的一項研究中，科學(xué)家將其從寒冷的生態(tài)系統(tǒng)中分離出來并進(jìn)行分析、鑒定，發(fā)現(xiàn)它們在地球上最寒冷和最干燥的地方生存，并進(jìn)化出了獨(dú)特的策略來應(yīng)對惡劣的環(huán)境。

在此之前，科學(xué)家曾在許多寒冷生態(tài)系統(tǒng)中檢測到擔(dān)子菌酵母，但尚未完全了解它們對低溫的適應(yīng)策略。使酵母存活的分子機(jī)制包括產(chǎn)生抗凍劑和冷活性蛋白、相容的溶質(zhì)以及膜流動性的增加。

新發(fā)現(xiàn)的冷適應(yīng)酵母，是從南極洲麥克默多干谷15萬年前的冰凍永久凍土中分離出來的。為了表征其冷適應(yīng)策略，科學(xué)家們進(jìn)行了mRNA和sRNA（小非編碼RNA）轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析、表型分析，并評估了0攝氏度和23攝氏度下的乙醇產(chǎn)量。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析結(jié)果表明，Rhodotorula frigidialcoholis通過多種機(jī)制適應(yīng)南極干谷永久凍土區(qū)的低溫，包括增加PPP基因（磷酸戊糖途徑中涉及到的基因）的表達(dá)，增加類胡蘿卜素、鞘脂、不飽和脂肪酸和胞外多糖的產(chǎn)生，同時減少生長、轉(zhuǎn)錄和翻譯機(jī)制基因的表達(dá)。

Rhodotorula frigidialcoholis的形態(tài)

科學(xué)家們還確定了新的寒冷適應(yīng)特征，包括通過下調(diào)檸檬酸循環(huán)基因和ETC基因（電子傳遞鏈），從23攝氏度的呼吸代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樵诤錀l件下（0攝氏度）生長時的發(fā)酵代謝。這種轉(zhuǎn)換可能是在低溫環(huán)境（例如南極永久凍土）中節(jié)省能源和延遲細(xì)胞內(nèi)凍結(jié)的一種適應(yīng)。同時，R.frigidialcoholis過表達(dá)參與乙醇和木糖醇發(fā)酵的基因。

在低溫下，R.frigidialcoholis也過度表達(dá)稱為sRNA的分子，特別是短rRFs/miRNA，并過度表達(dá)了Dicer基因，表明RNAi是極地真菌寒冷適應(yīng)的新機(jī)制。需要進(jìn)一步表征乙醇生產(chǎn)的作用和鑒定RNAi的mRNA靶標(biāo)，以確定它們在冰凍圈酵母冷適應(yīng)中所起的作用。

與23攝氏度相比，0攝氏度冷紅酵母中每個KEGG代謝途徑和細(xì)胞過程顯著差異表達(dá)的基因數(shù)量

R.frigidialcoholis現(xiàn)在還保持著微生物生產(chǎn)乙醇的最低溫度條件記錄。（綜合整理報道）（編輯/克珂）