極地酵母菌的發現與應用

盧鳳寧 張元興,2 蔡孟浩

(1 華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室,上海200237; 2 上海生物制造產業協同創新中心,上海200237)

提要 極地酵母菌要適應極地的極端環境,需以獨特的適冷策略來維系生命,包括產生抗凍蛋白、不飽和脂肪酸、胞外多糖、色素和冷活性酶等。這些產物蘊含著巨大的開發潛力和商業價值,用于食品、農業、醫藥、紡織和衛生等領域。盡管關于極地酵母的研究已持續一個多世紀,但人們對其地理分布、多樣性和生態功能的認識還存在明顯不足,有待進一步的探索開發。本文綜述了極地酵母菌的發現與應用研究進展,為極地酵母產物資源的研究與開發提供參考。

0 引言

近一個多世紀以來,人們發現微生物存活于地球上不同的棲息地中,包括極地、深海等極端環境[1]。極地包括約1.4×107km2的南極和約4.0× 106km2的北極,冰雪是極地環境中重要的且占主導地位的基質,對生命體構成了嚴峻的威脅[2-5]。極地除了極寒條件,還具有高紫外線輻射、高頻凍融循環、低水利用度、高蒸發率、寡營養和強風等環境特征[4-9]。盡管極地環境極端惡劣,但科學家們仍發現大量以不同生命形式存在的生物,如真菌、細菌、古生菌、病毒、植物和動物等,這些生命體以獨特的生理生化機制來克服各種極端條件。近年來,極地微生物遺傳資源及產物資源已引起廣泛的關注,大量極地微生物被分離和鑒定,但就其豐富度、多樣性和生態功能而言,極地微生物資源仍是尚未被有效開發的特殊生態系統。

極地微生物可以通過適應溫度被區分為嗜冷菌和耐冷菌,相比于嗜冷菌,耐冷菌能適應的溫度范圍更寬,因此分布更廣,但兩者在極地營養循環中皆可發揮作用[10]。目前,有關于極地微生物的報道大部分仍局限于細菌的分布、多樣性、分類地位及生物潛力[11-13],只有少部分數據涉及真核生物。然而,最新研究證實真菌是研究極地微生物生存機制的重要模型,它們的多樣性及分布有助于預測全球氣候的變化趨勢[14-15],其次生代謝產物,具備巨大的商業價值和生物潛力。

此外,還有文獻證實酵母菌是極地真菌中的優勢菌株,除少量呈現出嗜冷特性外,其他絕大多數都屬于耐冷菌[3,16],它們是極地生態系統中重要的分解者,可與其他生物互利共生,也可參與巖石等地方的反硝化過程[17-18]。迄今為止,有關極地酵母菌的報道依舊十分有限,人們對其認識仍不全面,本文主要針對極地酵母菌的分布、多樣性、適冷策略及應用潛力進行了綜述,為極地酵母生物資源及產物資源的研究與開發提供一定的參考。

1 極地酵母菌的分布

極地酵母菌的研究始于19 世紀70年代[19],早期科學家基于傳統培養和顯微鏡觀察的方法,對其研究主要集中在土壤、植被、沿海、木質遺骸和永久凍土層的表層等易于取樣的研究區域[4]。隨著時間的推移,科技的發展,目前在深海海水、沉積物、熱液噴口、海冰和冰川等區域也分離到了酵母菌[7,9,17-20],由此,極地生態系統中酵母菌群落的多樣性和復雜性也開始逐漸呈現。南北極生態系統的差異致使酵母菌的分布大不相同。與干燥的南極土壤相比,北極土壤的連通性更大,故其微生物的豐富度更高,生物量也要高出幾個數量級,其中酵母菌的占比相對較高[21-23]。此外,根據目前已有的數據顯示,兩極永久凍土層中微生物的分布也有類似的特點[24-25],而且北極永久凍土層的酵母大多是嗜中溫菌,容易通過其他媒介進行傳播[4]。冰川中的酵母菌目前已經成為一個重點研究對象,此前 Singh 等[20]和Butinar 等[21,26]分別從北極冰川中分離出大量酵母菌,大部分為擔子類酵母菌,且研究表明酵母菌的菌落數從冰川至海冰隨海拔高度降低而遞減,而海冰因鹽度含量相對較高更適合子囊類酵母菌存活[21]。隨著全球氣候的變化,一些冰川似乎正在縮減,這會暴露出冰川下的巖石,進而加速其風化速度,最終使得棲息在巖石表面的酵母菌被釋放出來[27]。不同于其他棲息地,極地植物中的酵母菌大多以共生的形式存在[28]。

2 極地酵母菌的多樣性

酵母菌是多功能的真核微生物,其豐富程度因棲息地變化而不同,根據它們不同的地理分布,可分為環極地性、地方性和世界性的酵母菌[29]。極地酵母菌的豐度很大程度上取決于取樣地點與頻率,但無論南極還是北極目前分離鑒定最多的是擔子類酵母菌,其次是子囊類酵母菌[3-5]。目前,已報道分離的極地酵母菌不低于60 屬,共近上百種[3,23,27,30-31]。其中,Cryptococcus、Rhodotorula、Candida和Debaryomyces屬居多,尤其是Rhodotorula(紅酵母)屬酵母菌,此類型的酵母菌具有超強的普遍性,已被發現于極地土壤、湖水、巖石、冰川、永久凍土層、深海沉積物等多種生境。其中極地最常見的R.mucilaginosa實際上是一類世界性物種,最早分離于11000 m 深的馬里亞納海溝[27],目前在極地土壤、植被、巖石、海洋、冰川等區域中也有發現[3,5-6,18,20,28,33-37]。與此不同,僅來源自南極巖石表面的R.portillonensis和北極冰川冰穴的R.svalbardensis則為地方性物種[38-39]。而有關R.arctica是北極特有的耐冷酵母菌這一觀點目前已被推翻,有報道證實它在南極同樣具有活性[40-41]。除此之外,在極地生境中還報道了其他Rhodotorula菌株,包括R.glacialis、R.laryngis、R.psychrophenolica等(表1)[28,31,35,41-45]。

表1 分離自極地的酵母菌Table 1 Yeast species isolated from polar habitats

續表

續表

Cryptococcus(隱球菌)屬酵母是寒冷棲息地中最具代表的屬,該屬酵母菌大量棲息于極地干旱土壤中,其中已報道的有Cr.gastricus、Cr.gilvencens、Cr.victoriae、Cr.vishniacii、Cr.antarcticus、Cr.victoriae、Cr.friedmannii、Cr.saitoi、Cr.gastricus和Cr.albidus等菌株[17,20,46](表1)。除了土壤,Crypto-coccus酵母菌還被發現于極地海洋、冰川、雪、植被、苔蘚和地衣等區域。在已報道的Cryptococcus酵母菌中,有關于Cr.victoriae和Cr.gastricus發現的報道相對較多[3,17,33,35,41,45-46],這表明Cr.victoriae和Cr.gastricus在極地更為常見。對于Candida(假絲酵母)屬酵母菌,C.parapsilosis最為常見,屬于世界性物種[2-3,5,23],而C.antarctica應用更為廣泛,可用于生產脂肪酶A (Candida antarcticalipase A,CALA)和脂肪酶B(Candida antarcticalipase B,CALB)[37,46],其他假絲酵母菌還被發現于極地土壤、水樣和苔蘚等區域[2-5,35](表1)。此外,極地Debaryomyces hansenii的報道也相對較多,它是一種多功能的耐寒酵母菌,目前已發現于極地土壤、海洋、冰川、雪和永久凍土層中[3-4,23,35,47],其與Cr.liquefaciens、Pichia guillermondii、R.mucilaginosa共同構成冰川酵母群落的穩定核心[23,26]。除Cryptococcus、Rhodotorula、Candida和Debaryomyces屬之外,Mrakiaspp.(木拉克酵母)在極地環境中也頗為常見,有報道指出Mrakia屬酵母約占Skarvsnes 地區土壤和湖泊沉積物中可培養真菌的35%[48],且M.blollopis和M.frigida同為極地嗜冷菌的代表菌株[5,45,49-50](表1)。近年來,科學家們還陸續報道了一些新型酵母菌,包括Cryptococcus vaughanmartiniae、Cystobasidium tubakii、Cystobasidium ongulense、Dioszegia antarctica 、 Dioszegia cryoxerica 、 Glaciozyma watsonii、Glaciozyma martinii和Leucosporidium escuderoi等[41,45,51-55](表1)。

在極地環境中,還存在一類特殊的類似酵母菌的真菌,被稱為黑酵母菌。盡管它們的發現頻率遠不如其他酵母菌,但因其頑強的生命力深得研究者青睞,它們甚至能在一些與火星類似的環境中存活,故被用作推測地外生物學的模型[3-4,17]。Aureobasidium pullulans就是其中一個較為典型的例子,它具有超強的耐滲透能力,其四分之三的變種在極地環境中都有描述[4,34],包括A.pullulans在內的所有黑酵母菌皆可能成為一類更具優勢的酵母菌。

3 極地酵母菌適冷策略與機制

由于生境的特殊性,極地酵母菌會遭受低溫的脅迫,低溫會降低其細胞膜的流動性,進而限制物質進出細胞[56-57]。低溫迫使自由水凍結成晶體,從而破壞細胞完整性和功能,而且水黏度、酶活性、蛋白質折疊、溶質擴散速率及胞內各物質間的反應速率同樣會受到低溫的影響[56-57]。為適應極地寒冷環境,極地酵母菌已成功進化出冷適應機制,但不同品種的酵母菌之間的抗凍能力也各有差異,例如,R.mucilaginosa和V.victoriae可通過積累多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acids,PUFAs)或調節其比例來抵御寒冷,PUFAs為兩親性分子,這有助于在低溫條件下維持細胞膜的流動性[58]。G.antarctica和Leucosporidiumsp.可通過分泌抗凍蛋白(Antifreeze protein,AFPs)來抵御寒冷。AFPs 是一類結構多樣的蛋白質,有時也被稱作冰結合蛋白(Ice-binding protein,IBPs),它會不可逆地結合在冰的表面,然后改變冰形態,從而產生熱滯后,抑制冰再結晶,進而達到保護細胞的目的[59-61]。還有一些像C.antarctica和Cr.gastricus等酵母菌可通過釋放冷活性酶來克服寒冷環境[3,33],這類酶在低溫條件下具有高比活性和高催化效率,這兩種特性可以加快化學反應速率。此外,其他酵母菌還可以依靠麥角甾醇、胞外多糖和多元醇等保護劑來抵御寒冷條件。

4 極地酵母的應用

4.1 冷活性酶

在20℃以下,冷活性酶因其較中溫性的熱敏性、靈敏度更高,底物特異性更強,催化效率更好,而吸引了大量研究者們的關注[62-63]。就現有的報道來看,大部分冷活性酶還是來源于細菌,而有關酵母菌分泌冷活性酶的研究仍較為零散[64],但其極可能成為未來極地研究的一個重點方向。目前,冷活性酶被廣泛應用于工業和生物技術領域,例如G.pullulans分泌的冷活性β-半乳糖苷酶能有效解決人類乳糖不耐受的癥狀[65]。C.antarctica可分泌CALA 和CALB,獲得首批冷活性酶專利,CALA 是一種熱穩定性極高的脂肪酶類,適用于食品加工過程[5],而CALB 可用于制備生物燃料、拆分外消旋胺、生產手性氟油酸中間體以及合成用于日化行業的聚酯等工藝過程[66]。M.blollopis分泌的冷活性脂肪酶可降解廢水中的乳脂,在處理過程中,該酵母菌以較高的生物耗氧量(Biology oxygen demand,BOD)去除率來發揮作用,這一特點有助于M.blollopis成為低溫區廢水處理中最具潛力的微生物之一[67]。有報道顯示,將可分泌冷活性果膠酶的A.pullulans與傳統的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)聯合用于釀酒工藝,更有助于改善葡萄酒的風味與質感[68]。此外,C.sake同樣可以在釀酒工藝中發揮作用,可提供一種醇含量較低、口感更香醇的葡萄酒[69]。而R.glacialis、M.psychrophila、C.gastricus、C.humicola、L.antarctica和R.mucilaginosa皆可分泌冷活性蛋白酶,其中有些蛋白酶對溫度、鹵素和鹽度表現出不同的耐受性[63,70-71],還有些蛋白酶具有降解酪蛋白的功能[43]。R.mucilaginosa還可分泌的冷活性植酸酶,將其添加到飼料中,不僅能提高其營養價值,還可降低飼料中磷的含量[72]。此外,C.adeliensis分泌的冷活性木聚糖酶能有效水解植物細胞壁中半纖維素的主要成分木聚糖,故可在農業、工業和污水的低溫消化過程中發揮作用[2]。

冷活性酶還常見于洗滌行業,含有冷活性蛋白酶的洗滌劑,能有效地除去污漬[73]。冷活性酶也可用于醫藥行業,作為藥物的有效成分,有助于提高傷口愈合速度[73],以及用于烘焙行業,有助于改善烘焙產品的質量[73]?？偠灾?冷活性酶在不同行業都有廣泛的應用潛力。

4.2 其他應用

除了分泌冷活性酶,極地酵母菌還會合成其他物質,這些物質同樣具有巨大的生物潛力和商業價值。例如,極地酵母菌合成的AFPs 和IBPs,可用于低溫保存食品、動植物細胞和器官等[58]。其合成的麥角甾醇可作為維生素D2 的前體,添加到抗癌藥物中,具有抑制癌細胞惡性增長的功效[58]。其合成的胞外多糖適用于日化行業,用作化妝品的乳化劑、增稠劑和凝膠劑[74]。其合成的類胡蘿卜素、真菌素、谷胱甘肽等光保護色素,可用于紫外線輻射影響的研究[2]。Xanthophyllomyces dendrorhous等極地酵母分泌的蝦青素,因為具有增強免疫力和抗過氧化的功能,可添加到飼料中,用于水產養殖行業[75]。此外,R.glacialis和R.glutinis能夠積累大量的脂質,主要成分為油酸和棕櫚酸,可用于合成第三代生物柴油[76]。R.laryngisi和Cr.victoriae等極地酵母菌株可降解木質素和活性染料,有利于減緩環境污染[77]。

5 小結

目前,隨著分子生物學技術和生物組學技術的發展,極地酵母菌的系統發育譜系變得日益豐富,從而使研究者們對其有了更深入的了解。這些酵母菌為適應極端環境,已然進化出了許多適應機制,為現代生物學研究提供了重要的參考。極地酵母菌合成的活性代謝物和功能酶已成功應用于工業和生物技術領域,特別是應用于不同行業的冷活性酶,已引發越來越多的關注,并逐漸成為許多行業的支柱。它們的分離鑒定和有效生產不僅利于工業化發展,而且具備很好的經濟效益。綜上而言,極地酵母菌是一類特殊的微生物資源寶庫,但目前整體基礎研究和開發應用依舊處于初期階段,值得研究者們對其多樣性、分布和生物學潛力開展更加深入的探索與開發,通過對其進行更加系統和深入的研究,使其在釀酒工藝、生物修復、污水處理、醫藥開發、生物柴油制備等工藝過程中的作用發揮到極致,廣泛造福于社會。