极地酵母菌的发现与应用

卢凤宁 张元兴,2 蔡孟浩

(1 华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海200237; 2 上海生物制造产业协同创新中心,上海200237)

提要 极地酵母菌要适应极地的极端环境,需以独特的适冷策略来维系生命,包括产生抗冻蛋白、不饱和脂肪酸、胞外多糖、色素和冷活性酶等。这些产物蕴含着巨大的开发潜力和商业价值,用于食品、农业、医药、纺织和卫生等领域。尽管关于极地酵母的研究已持续一个多世纪,但人们对其地理分布、多样性和生态功能的认识还存在明显不足,有待进一步的探索开发。本文综述了极地酵母菌的发现与应用研究进展,为极地酵母产物资源的研究与开发提供参考。

0 引言

近一个多世纪以来,人们发现微生物存活于地球上不同的栖息地中,包括极地、深海等极端环境[1]。极地包括约1.4×107km2的南极和约4.0× 106km2的北极,冰雪是极地环境中重要的且占主导地位的基质,对生命体构成了严峻的威胁[2-5]。极地除了极寒条件,还具有高紫外线辐射、高频冻融循环、低水利用度、高蒸发率、寡营养和强风等环境特征[4-9]。尽管极地环境极端恶劣,但科学家们仍发现大量以不同生命形式存在的生物,如真菌、细菌、古生菌、病毒、植物和动物等,这些生命体以独特的生理生化机制来克服各种极端条件。近年来,极地微生物遗传资源及产物资源已引起广泛的关注,大量极地微生物被分离和鉴定,但就其丰富度、多样性和生态功能而言,极地微生物资源仍是尚未被有效开发的特殊生态系统。

极地微生物可以通过适应温度被区分为嗜冷菌和耐冷菌,相比于嗜冷菌,耐冷菌能适应的温度范围更宽,因此分布更广,但两者在极地营养循环中皆可发挥作用[10]。目前,有关于极地微生物的报道大部分仍局限于细菌的分布、多样性、分类地位及生物潜力[11-13],只有少部分数据涉及真核生物。然而,最新研究证实真菌是研究极地微生物生存机制的重要模型,它们的多样性及分布有助于预测全球气候的变化趋势[14-15],其次生代谢产物,具备巨大的商业价值和生物潜力。

此外,还有文献证实酵母菌是极地真菌中的优势菌株,除少量呈现出嗜冷特性外,其他绝大多数都属于耐冷菌[3,16],它们是极地生态系统中重要的分解者,可与其他生物互利共生,也可参与岩石等地方的反硝化过程[17-18]。迄今为止,有关极地酵母菌的报道依旧十分有限,人们对其认识仍不全面,本文主要针对极地酵母菌的分布、多样性、适冷策略及应用潜力进行了综述,为极地酵母生物资源及产物资源的研究与开发提供一定的参考。

1 极地酵母菌的分布

极地酵母菌的研究始于19 世纪70年代[19],早期科学家基于传统培养和显微镜观察的方法,对其研究主要集中在土壤、植被、沿海、木质遗骸和永久冻土层的表层等易于取样的研究区域[4]。随着时间的推移,科技的发展,目前在深海海水、沉积物、热液喷口、海冰和冰川等区域也分离到了酵母菌[7,9,17-20],由此,极地生态系统中酵母菌群落的多样性和复杂性也开始逐渐呈现。南北极生态系统的差异致使酵母菌的分布大不相同。与干燥的南极土壤相比,北极土壤的连通性更大,故其微生物的丰富度更高,生物量也要高出几个数量级,其中酵母菌的占比相对较高[21-23]。此外,根据目前已有的数据显示,两极永久冻土层中微生物的分布也有类似的特点[24-25],而且北极永久冻土层的酵母大多是嗜中温菌,容易通过其他媒介进行传播[4]。冰川中的酵母菌目前已经成为一个重点研究对象,此前 Singh 等[20]和Butinar 等[21,26]分别从北极冰川中分离出大量酵母菌,大部分为担子类酵母菌,且研究表明酵母菌的菌落数从冰川至海冰随海拔高度降低而递减,而海冰因盐度含量相对较高更适合子囊类酵母菌存活[21]。随着全球气候的变化,一些冰川似乎正在缩减,这会暴露出冰川下的岩石,进而加速其风化速度,最终使得栖息在岩石表面的酵母菌被释放出来[27]。不同于其他栖息地,极地植物中的酵母菌大多以共生的形式存在[28]。

2 极地酵母菌的多样性

酵母菌是多功能的真核微生物,其丰富程度因栖息地变化而不同,根据它们不同的地理分布,可分为环极地性、地方性和世界性的酵母菌[29]。极地酵母菌的丰度很大程度上取决于取样地点与频率,但无论南极还是北极目前分离鉴定最多的是担子类酵母菌,其次是子囊类酵母菌[3-5]。目前,已报道分离的极地酵母菌不低于60 属,共近上百种[3,23,27,30-31]。其中,Cryptococcus、Rhodotorula、Candida和Debaryomyces属居多,尤其是Rhodotorula(红酵母)属酵母菌,此类型的酵母菌具有超强的普遍性,已被发现于极地土壤、湖水、岩石、冰川、永久冻土层、深海沉积物等多种生境。其中极地最常见的R.mucilaginosa实际上是一类世界性物种,最早分离于11000 m 深的马里亚纳海沟[27],目前在极地土壤、植被、岩石、海洋、冰川等区域中也有发现[3,5-6,18,20,28,33-37]。与此不同,仅来源自南极岩石表面的R.portillonensis和北极冰川冰穴的R.svalbardensis则为地方性物种[38-39]。而有关R.arctica是北极特有的耐冷酵母菌这一观点目前已被推翻,有报道证实它在南极同样具有活性[40-41]。除此之外,在极地生境中还报道了其他Rhodotorula菌株,包括R.glacialis、R.laryngis、R.psychrophenolica等(表1)[28,31,35,41-45]。

表1 分离自极地的酵母菌Table 1 Yeast species isolated from polar habitats

续表

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Cryptococcus(隐球菌)属酵母是寒冷栖息地中最具代表的属,该属酵母菌大量栖息于极地干旱土壤中,其中已报道的有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酵母菌还被发现于极地海洋、冰川、雪、植被、苔藓和地衣等区域。在已报道的Cryptococcus酵母菌中,有关于Cr.victoriae和Cr.gastricus发现的报道相对较多[3,17,33,35,41,45-46],这表明Cr.victoriae和Cr.gastricus在极地更为常见。对于Candida(假丝酵母)属酵母菌,C.parapsilosis最为常见,属于世界性物种[2-3,5,23],而C.antarctica应用更为广泛,可用于生产脂肪酶A (Candida antarcticalipase A,CALA)和脂肪酶B(Candida antarcticalipase B,CALB)[37,46],其他假丝酵母菌还被发现于极地土壤、水样和苔藓等区域[2-5,35](表1)。此外,极地Debaryomyces hansenii的报道也相对较多,它是一种多功能的耐寒酵母菌,目前已发现于极地土壤、海洋、冰川、雪和永久冻土层中[3-4,23,35,47],其与Cr.liquefaciens、Pichia guillermondii、R.mucilaginosa共同构成冰川酵母群落的稳定核心[23,26]。除Cryptococcus、Rhodotorula、Candida和Debaryomyces属之外,Mrakiaspp.(木拉克酵母)在极地环境中也颇为常见,有报道指出Mrakia属酵母约占Skarvsnes 地区土壤和湖泊沉积物中可培养真菌的35%[48],且M.blollopis和M.frigida同为极地嗜冷菌的代表菌株[5,45,49-50](表1)。近年来,科学家们还陆续报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)。

在极地环境中,还存在一类特殊的类似酵母菌的真菌,被称为黑酵母菌。尽管它们的发现频率远不如其他酵母菌,但因其顽强的生命力深得研究者青睐,它们甚至能在一些与火星类似的环境中存活,故被用作推测地外生物学的模型[3-4,17]。Aureobasidium pullulans就是其中一个较为典型的例子,它具有超强的耐渗透能力,其四分之三的变种在极地环境中都有描述[4,34],包括A.pullulans在内的所有黑酵母菌皆可能成为一类更具优势的酵母菌。

3 极地酵母菌适冷策略与机制

由于生境的特殊性,极地酵母菌会遭受低温的胁迫,低温会降低其细胞膜的流动性,进而限制物质进出细胞[56-57]。低温迫使自由水冻结成晶体,从而破坏细胞完整性和功能,而且水黏度、酶活性、蛋白质折叠、溶质扩散速率及胞内各物质间的反应速率同样会受到低温的影响[56-57]。为适应极地寒冷环境,极地酵母菌已成功进化出冷适应机制,但不同品种的酵母菌之间的抗冻能力也各有差异,例如,R.mucilaginosa和V.victoriae可通过积累多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acids,PUFAs)或调节其比例来抵御寒冷,PUFAs为两亲性分子,这有助于在低温条件下维持细胞膜的流动性[58]。G.antarctica和Leucosporidiumsp.可通过分泌抗冻蛋白(Antifreeze protein,AFPs)来抵御寒冷。AFPs 是一类结构多样的蛋白质,有时也被称作冰结合蛋白(Ice-binding protein,IBPs),它会不可逆地结合在冰的表面,然后改变冰形态,从而产生热滞后,抑制冰再结晶,进而达到保护细胞的目的[59-61]。还有一些像C.antarctica和Cr.gastricus等酵母菌可通过释放冷活性酶来克服寒冷环境[3,33],这类酶在低温条件下具有高比活性和高催化效率,这两种特性可以加快化学反应速率。此外,其他酵母菌还可以依靠麦角甾醇、胞外多糖和多元醇等保护剂来抵御寒冷条件。

4 极地酵母的应用

4.1 冷活性酶

在20℃以下,冷活性酶因其较中温性的热敏性、灵敏度更高,底物特异性更强,催化效率更好,而吸引了大量研究者们的关注[62-63]。就现有的报道来看,大部分冷活性酶还是来源于细菌,而有关酵母菌分泌冷活性酶的研究仍较为零散[64],但其极可能成为未来极地研究的一个重点方向。目前,冷活性酶被广泛应用于工业和生物技术领域,例如G.pullulans分泌的冷活性β-半乳糖苷酶能有效解决人类乳糖不耐受的症状[65]。C.antarctica可分泌CALA 和CALB,获得首批冷活性酶专利,CALA 是一种热稳定性极高的脂肪酶类,适用于食品加工过程[5],而CALB 可用于制备生物燃料、拆分外消旋胺、生产手性氟油酸中间体以及合成用于日化行业的聚酯等工艺过程[66]。M.blollopis分泌的冷活性脂肪酶可降解废水中的乳脂,在处理过程中,该酵母菌以较高的生物耗氧量(Biology oxygen demand,BOD)去除率来发挥作用,这一特点有助于M.blollopis成为低温区废水处理中最具潜力的微生物之一[67]。有报道显示,将可分泌冷活性果胶酶的A.pullulans与传统的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)联合用于酿酒工艺,更有助于改善葡萄酒的风味与质感[68]。此外,C.sake同样可以在酿酒工艺中发挥作用,可提供一种醇含量较低、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,其中有些蛋白酶对温度、卤素和盐度表现出不同的耐受性[63,70-71],还有些蛋白酶具有降解酪蛋白的功能[43]。R.mucilaginosa还可分泌的冷活性植酸酶,将其添加到饲料中,不仅能提高其营养价值,还可降低饲料中磷的含量[72]。此外,C.adeliensis分泌的冷活性木聚糖酶能有效水解植物细胞壁中半纤维素的主要成分木聚糖,故可在农业、工业和污水的低温消化过程中发挥作用[2]。

冷活性酶还常见于洗涤行业,含有冷活性蛋白酶的洗涤剂,能有效地除去污渍[73]。冷活性酶也可用于医药行业,作为药物的有效成分,有助于提高伤口愈合速度[73],以及用于烘焙行业,有助于改善烘焙产品的质量[73]。总而言之,冷活性酶在不同行业都有广泛的应用潜力。

4.2 其他应用

除了分泌冷活性酶,极地酵母菌还会合成其他物质,这些物质同样具有巨大的生物潜力和商业价值。例如,极地酵母菌合成的AFPs 和IBPs,可用于低温保存食品、动植物细胞和器官等[58]。其合成的麦角甾醇可作为维生素D2 的前体,添加到抗癌药物中,具有抑制癌细胞恶性增长的功效[58]。其合成的胞外多糖适用于日化行业,用作化妆品的乳化剂、增稠剂和凝胶剂[74]。其合成的类胡萝卜素、真菌素、谷胱甘肽等光保护色素,可用于紫外线辐射影响的研究[2]。Xanthophyllomyces dendrorhous等极地酵母分泌的虾青素,因为具有增强免疫力和抗过氧化的功能,可添加到饲料中,用于水产养殖行业[75]。此外,R.glacialis和R.glutinis能够积累大量的脂质,主要成分为油酸和棕榈酸,可用于合成第三代生物柴油[76]。R.laryngisi和Cr.victoriae等极地酵母菌株可降解木质素和活性染料,有利于减缓环境污染[77]。

5 小结

目前,随着分子生物学技术和生物组学技术的发展,极地酵母菌的系统发育谱系变得日益丰富,从而使研究者们对其有了更深入的了解。这些酵母菌为适应极端环境,已然进化出了许多适应机制,为现代生物学研究提供了重要的参考。极地酵母菌合成的活性代谢物和功能酶已成功应用于工业和生物技术领域,特别是应用于不同行业的冷活性酶,已引发越来越多的关注,并逐渐成为许多行业的支柱。它们的分离鉴定和有效生产不仅利于工业化发展,而且具备很好的经济效益。综上而言,极地酵母菌是一类特殊的微生物资源宝库,但目前整体基础研究和开发应用依旧处于初期阶段,值得研究者们对其多样性、分布和生物学潜力开展更加深入的探索与开发,通过对其进行更加系统和深入的研究,使其在酿酒工艺、生物修复、污水处理、医药开发、生物柴油制备等工艺过程中的作用发挥到极致,广泛造福于社会。