盧鳳寧 張?jiān)d,2 蔡孟浩

(1 華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200237; 2 上海生物制造產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海200237)

提要 極地酵母菌要適應(yīng)極地的極端環(huán)境,需以獨(dú)特的適冷策略來(lái)維系生命,包括產(chǎn)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(chǎn)物蘊(yùn)含著巨大的開(kāi)發(fā)潛力和商業(yè)價(jià)值,用于食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、紡織和衛(wèi)生等領(lǐng)域。盡管關(guān)于極地酵母的研究已持續(xù)一個(gè)多世紀(jì),但人們對(duì)其地理分布、多樣性和生態(tài)功能的認(rèn)識(shí)還存在明顯不足,有待進(jìn)一步的探索開(kāi)發(fā)。本文綜述了極地酵母菌的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用研究進(jìn)展,為極地酵母產(chǎn)物資源的研究與開(kāi)發(fā)提供參考。

0 引言

近一個(gè)多世紀(jì)以來(lái),人們發(fā)現(xiàn)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(huán)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(huán)境中重要的且占主導(dǎo)地位的基質(zhì),對(duì)生命體構(gòu)成了嚴(yán)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(huán)、低水利用度、高蒸發(fā)率、寡營(yíng)養(yǎng)和強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境特征[4-9]。盡管極地環(huán)境極端惡劣,但科學(xué)家們?nèi)园l(fā)現(xiàn)大量以不同生命形式存在的生物,如真菌、細(xì)菌、古生菌、病毒、植物和動(dòng)物等,這些生命體以獨(dú)特的生理生化機(jī)制來(lái)克服各種極端條件。近年來(lái),極地微生物遺傳資源及產(chǎn)物資源已引起廣泛的關(guān)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(tài)功能而言,極地微生物資源仍是尚未被有效開(kāi)發(fā)的特殊生態(tài)系統(tǒng)。

極地微生物可以通過(guò)適應(yīng)溫度被區(qū)分為嗜冷菌和耐冷菌,相比于嗜冷菌,耐冷菌能適應(yīng)的溫度范圍更寬,因此分布更廣,但兩者在極地營(yíng)養(yǎng)循環(huán)中皆可發(fā)揮作用[10]。目前,有關(guān)于極地微生物的報(bào)道大部分仍局限于細(xì)菌的分布、多樣性、分類(lèi)地位及生物潛力[11-13],只有少部分?jǐn)?shù)據(jù)涉及真核生物。然而,最新研究證實(shí)真菌是研究極地微生物生存機(jī)制的重要模型,它們的多樣性及分布有助于預(yù)測(cè)全球氣候的變化趨勢(shì)[14-15],其次生代謝產(chǎn)物,具備巨大的商業(yè)價(jià)值和生物潛力。

此外,還有文獻(xiàn)證實(shí)酵母菌是極地真菌中的優(yōu)勢(shì)菌株,除少量呈現(xiàn)出嗜冷特性外,其他絕大多數(shù)都屬于耐冷菌[3,16],它們是極地生態(tài)系統(tǒng)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(guò)程[17-18]。迄今為止,有關(guān)極地酵母菌的報(bào)道依舊十分有限,人們對(duì)其認(rèn)識(shí)仍不全面,本文主要針對(duì)極地酵母菌的分布、多樣性、適冷策略及應(yīng)用潛力進(jìn)行了綜述,為極地酵母生物資源及產(chǎn)物資源的研究與開(kāi)發(fā)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(jì)70年代[19],早期科學(xué)家基于傳統(tǒng)培養(yǎng)和顯微鏡觀察的方法,對(duì)其研究主要集中在土壤、植被、沿海、木質(zhì)遺骸和永久凍土層的表層等易于取樣的研究區(qū)域[4]。隨著時(shí)間的推移,科技的發(fā)展,目前在深海海水、沉積物、熱液噴口、海冰和冰川等區(qū)域也分離到了酵母菌[7,9,17-20],由此,極地生態(tài)系統(tǒng)中酵母菌群落的多樣性和復(fù)雜性也開(kāi)始逐漸呈現(xiàn)。南北極生態(tài)系統(tǒng)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(gè)數(shù)量級(jí),其中酵母菌的占比相對(duì)較高[21-23]。此外,根據(jù)目前已有的數(shù)據(jù)顯示,兩極永久凍土層中微生物的分布也有類(lèi)似的特點(diǎn)[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(guò)其他媒介進(jìn)行傳播[4]。冰川中的酵母菌目前已經(jīng)成為一個(gè)重點(diǎn)研究對(duì)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(dān)子類(lèi)酵母菌,且研究表明酵母菌的菌落數(shù)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(duì)較高更適合子囊類(lèi)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(huì)暴露出冰川下的巖石,進(jìn)而加速其風(fēng)化速度,最終使得棲息在巖石表面的酵母菌被釋放出來(lái)[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(jù)它們不同的地理分布,可分為環(huán)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(diǎn)與頻率,但無(wú)論南極還是北極目前分離鑒定最多的是擔(dān)子類(lèi)酵母菌,其次是子囊類(lèi)酵母菌[3-5]。目前,已報(bào)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(lèi)型的酵母菌具有超強(qiáng)的普遍性,已被發(fā)現(xiàn)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(jiàn)的R.mucilaginosa實(shí)際上是一類(lèi)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(qū)域中也有發(fā)現(xiàn)[3,5-6,18,20,28,33-37]。與此不同,僅來(lái)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(guān)R.arctica是北極特有的耐冷酵母菌這一觀點(diǎn)目前已被推翻,有報(bào)道證實(shí)它在南極同樣具有活性[40-41]。除此之外,在極地生境中還報(bào)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(xù)表

續(xù)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(bào)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(fā)現(xiàn)于極地海洋、冰川、雪、植被、苔蘚和地衣等區(qū)域。在已報(bào)道的Cryptococcus酵母菌中,有關(guān)于Cr.victoriae和Cr.gastricus發(fā)現(xiàn)的報(bào)道相對(duì)較多[3,17,33,35,41,45-46],這表明Cr.victoriae和Cr.gastricus在極地更為常見(jiàn)。對(duì)于Candida(假絲酵母)屬酵母菌,C.parapsilosis最為常見(jiàn),屬于世界性物種[2-3,5,23],而C.antarctica應(yīng)用更為廣泛,可用于生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)于極地土壤、水樣和苔蘚等區(qū)域[2-5,35](表1)。此外,極地Debaryomyces hansenii的報(bào)道也相對(duì)較多,它是一種多功能的耐寒酵母菌,目前已發(fā)現(xiàn)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(gòu)成冰川酵母群落的穩(wěn)定核心[23,26]。除Cryptococcus、Rhodotorula、Candida和Debaryomyces屬之外,Mrakiaspp.(木拉克酵母)在極地環(huán)境中也頗為常見(jiàn),有報(bào)道指出Mrakia屬酵母約占Skarvsnes 地區(qū)土壤和湖泊沉積物中可培養(yǎng)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(lái),科學(xué)家們還陸續(xù)報(bào)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(huán)境中,還存在一類(lèi)特殊的類(lèi)似酵母菌的真菌,被稱(chēng)為黑酵母菌。盡管它們的發(fā)現(xiàn)頻率遠(yuǎn)不如其他酵母菌,但因其頑強(qiáng)的生命力深得研究者青睞,它們甚至能在一些與火星類(lèi)似的環(huán)境中存活,故被用作推測(cè)地外生物學(xué)的模型[3-4,17]。Aureobasidium pullulans就是其中一個(gè)較為典型的例子,它具有超強(qiáng)的耐滲透能力,其四分之三的變種在極地環(huán)境中都有描述[4,34],包括A.pullulans在內(nèi)的所有黑酵母菌皆可能成為一類(lèi)更具優(yōu)勢(shì)的酵母菌。

3 極地酵母菌適冷策略與機(jī)制

由于生境的特殊性,極地酵母菌會(huì)遭受低溫的脅迫,低溫會(huì)降低其細(xì)胞膜的流動(dòng)性,進(jìn)而限制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞[56-57]。低溫迫使自由水凍結(jié)成晶體,從而破壞細(xì)胞完整性和功能,而且水黏度、酶活性、蛋白質(zhì)折疊、溶質(zhì)擴(kuò)散速率及胞內(nèi)各物質(zhì)間的反應(yīng)速率同樣會(huì)受到低溫的影響[56-57]。為適應(yīng)極地寒冷環(huán)境,極地酵母菌已成功進(jìn)化出冷適應(yīng)機(jī)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(guò)積累多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acids,PUFAs)或調(diào)節(jié)其比例來(lái)抵御寒冷,PUFAs為兩親性分子,這有助于在低溫條件下維持細(xì)胞膜的流動(dòng)性[58]。G.antarctica和Leucosporidiumsp.可通過(guò)分泌抗凍蛋白(Antifreeze protein,AFPs)來(lái)抵御寒冷。AFPs 是一類(lèi)結(jié)構(gòu)多樣的蛋白質(zhì),有時(shí)也被稱(chēng)作冰結(jié)合蛋白(Ice-binding protein,IBPs),它會(huì)不可逆地結(jié)合在冰的表面,然后改變冰形態(tài),從而產(chǎn)生熱滯后,抑制冰再結(jié)晶,進(jìn)而達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的目的[59-61]。還有一些像C.antarctica和Cr.gastricus等酵母菌可通過(guò)釋放冷活性酶來(lái)克服寒冷環(huán)境[3,33],這類(lèi)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(xué)反應(yīng)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(hù)劑來(lái)抵御寒冷條件。

4 極地酵母的應(yīng)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(qiáng),催化效率更好,而吸引了大量研究者們的關(guān)注[62-63]。就現(xiàn)有的報(bào)道來(lái)看,大部分冷活性酶還是來(lái)源于細(xì)菌,而有關(guān)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(lái)極地研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。目前,冷活性酶被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生物技術(shù)領(lǐng)域,例如G.pullulans分泌的冷活性β-半乳糖苷酶能有效解決人類(lèi)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(zhuān)利,CALA 是一種熱穩(wěn)定性極高的脂肪酶類(lèi),適用于食品加工過(guò)程[5],而CALB 可用于制備生物燃料、拆分外消旋胺、生產(chǎn)手性氟油酸中間體以及合成用于日化行業(yè)的聚酯等工藝過(guò)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(guò)程中,該酵母菌以較高的生物耗氧量(Biology oxygen demand,BOD)去除率來(lái)發(fā)揮作用,這一特點(diǎn)有助于M.blollopis成為低溫區(qū)廢水處理中最具潛力的微生物之一[67]。有報(bào)道顯示,將可分泌冷活性果膠酶的A.pullulans與傳統(tǒng)的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)聯(lián)合用于釀酒工藝,更有助于改善葡萄酒的風(fēng)味與質(zhì)感[68]。此外,C.sake同樣可以在釀酒工藝中發(fā)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(duì)溫度、鹵素和鹽度表現(xiàn)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(yíng)養(yǎng)價(jià)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(xì)胞壁中半纖維素的主要成分木聚糖,故可在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和污水的低溫消化過(guò)程中發(fā)揮作用[2]。

冷活性酶還常見(jiàn)于洗滌行業(yè),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(yī)藥行業(yè),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(yè),有助于改善烘焙產(chǎn)品的質(zhì)量[73]?？偠灾?冷活性酶在不同行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用潛力。

4.2 其他應(yīng)用

除了分泌冷活性酶,極地酵母菌還會(huì)合成其他物質(zhì),這些物質(zhì)同樣具有巨大的生物潛力和商業(yè)價(jià)值。例如,極地酵母菌合成的AFPs 和IBPs,可用于低溫保存食品、動(dòng)植物細(xì)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(xì)胞惡性增長(zhǎng)的功效[58]。其合成的胞外多糖適用于日化行業(yè),用作化妝品的乳化劑、增稠劑和凝膠劑[74]。其合成的類(lèi)胡蘿卜素、真菌素、谷胱甘肽等光保護(hù)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?yàn)榫哂性鰪?qiáng)免疫力和抗過(guò)氧化的功能,可添加到飼料中,用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)[75]。此外,R.glacialis和R.glutinis能夠積累大量的脂質(zhì),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(zhì)素和活性染料,有利于減緩環(huán)境污染[77]。

5 小結(jié)

目前,隨著分子生物學(xué)技術(shù)和生物組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,極地酵母菌的系統(tǒng)發(fā)育譜系變得日益豐富,從而使研究者們對(duì)其有了更深入的了解。這些酵母菌為適應(yīng)極端環(huán)境,已然進(jìn)化出了許多適應(yīng)機(jī)制,為現(xiàn)代生物學(xué)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(yīng)用于工業(yè)和生物技術(shù)領(lǐng)域,特別是應(yīng)用于不同行業(yè)的冷活性酶,已引發(fā)越來(lái)越多的關(guān)注,并逐漸成為許多行業(yè)的支柱。它們的分離鑒定和有效生產(chǎn)不僅利于工業(yè)化發(fā)展,而且具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。綜上而言,極地酵母菌是一類(lèi)特殊的微生物資源寶庫(kù),但目前整體基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用依舊處于初期階段,值得研究者們對(duì)其多樣性、分布和生物學(xué)潛力開(kāi)展更加深入的探索與開(kāi)發(fā),通過(guò)對(duì)其進(jìn)行更加系統(tǒng)和深入的研究,使其在釀酒工藝、生物修復(fù)、污水處理、醫(yī)藥開(kāi)發(fā)、生物柴油制備等工藝過(guò)程中的作用發(fā)揮到極致,廣泛造福于社會(huì)。