南极红酵母Rhodotorula sp.NJ298质膜流动性及其低温适应性研究
南极是地球上最冷的地区，低温是极地最基本的特征。南极海冰生物存在着一系列适应该生境生存所需的复杂的生理和新陈代谢特征，具备适应南极极端环境的生命系统。南极的低温环境对那些通过生成某种调控物质而保持细胞膜脂质流动性的菌株进行了自然选择，因此南极微生物抵御极端环境的生理机能是与其独特的细胞质膜结构和功能密不可分的。并且南极微生物不仅种类独特，而且还含有很多有潜力可开发的生物活性物质。
酵母作为单细胞，易于操作，可以直接在细胞水平上对刺激做出应答，使其成为研究极端环境生物学的良好模式生物。对南极酵母细胞质膜中与维持膜流动性密切相关的生化成分的分析，及其通过生化成分组成的改变来调节膜的流动性的研究，将有助于对揭示南极微生物的适应机制。
南极红酵母NJ298在长期的进化过程中已形成了对极端环境的适应机制，类胡萝卜素在对抗低温中具有重要作用。本研究以南极红酵母NJ298为材料，对其所产类胡萝卜素进行初步鉴定，对类胡萝卜素在低温下维持质膜的流动性及抗氧化系统中的作用进行研究。研究结果概括如下。
(1)应用薄层层析、紫外、红外、高效液相色谱及液质联用分析对南极酵母NJ298类胡萝卜素主要成分进行综合研究。初步确定虾青素为南极酵母NJ298类胡萝卜素的主要成分。
对虾青素定量分析结果显示：南极酵母NJ298中总类胡萝卜素含量为1126ug<'-1>干菌体，其中虾青素含量为87.6％，达986ug-g<'-1>。
(2)应用传统的鉴定方法和分子生物学鉴定技术，根据形态特征、生理生化特征及ITS序列的系统发育分析，将南极酵母NJ298归入红酵母属(Rhodotorula)，暂定名南极红酵母NJ298，Rhodotorula sp．NJ298。
(3)对水双相分离法分离南极红酵母NJ298质膜进行研究，并对不同温度下膜脂肪酸、类胡萝卜素及蛋白进行研究。研究得出，水双相分离南极红酵母NJ298质膜条件为：聚合物浓度6.0％和4 mmol·L<'-1>KCl盐的两相分配体系，分离三次可得到相对纯度在78％左右的质膜。对不同培养温度的南极红酵母NJ298质膜成分进行分析得出，南极红酵母NJ298质膜在-3℃不饱和脂肪酸(C18:2)和短链脂肪酸(C10:0)含量增加，这在增加质膜流动性方面具有重要作用；虾青素含量明显增加，其可能是细胞在生长温度剧烈变化时调节膜流动性的辅助因子；质膜蛋白含量增加，并且低温诱导新出现了一条分子量大约为94.7 kDa的蛋白多肽，低温可诱导蛋白这具有维持质膜稳定性及质膜功能的作用。膜结构是一个动态平衡体系，随外界温度变化内部成分进行适应性调整。质膜组分的变化致使南极红酵母NJ298细胞在低温环境下能够维持质膜正常流动，细胞能够行使正常功能，这是其低温适应机制的一个重要方面。
(4)不同温度(-3、0、8℃)对南极红酵母NJ298抗氧化系统的影响研究结果显示，在-3℃南极红酵母NJ298类胡萝卜素含量增加，SOD酶活力下降，CAT和POD酶活力升高， MDA含量没有明显变化，而对H<,2>O<,2>的抗性增加。这表明，在较高温度类胡萝卜素含量较低时，活性氧由活力较高的SOD来清除；在-3℃低温时，低温环境使菌体内自由基产生增加，抗氧化酶系统的活性降低，而这时南极红酵母NJ298细胞内类胡萝卜素大量积累，可替代SOD行使主要抗氧化功能，且随着类胡萝卜素的增加清除活性氧的能力也增强，足以抵御活性氧的伤害。据此可以得出以下结论：低温时，南极红酵母NJ298类胡萝卜素积累，在积累过程中，虽然SOD酶活力下降，但类胡萝卜素替代SOD酶行使主要的抗氧化功能，并使南极红酵母NJ298清除活性氧的能力增强。总之，在低温下南极红酵母NJ298通过酶促和非酶促抗氧化系统维持细胞代谢平衡，保护膜系统，这是其低温适应机制的一个方面。
(5)对南极红酵母NJ298最佳生理条件的单因素试验表明，该菌对营养要求简单，能利用多种碳、氮源，乙酸钠、蛋白胨是合成虾青素的最佳碳、氮源；pH值在6～8范围内均可生长，最适pH值为7.5；在0～15℃之间，南极红酵母NJ298均可以生长，但是低温更有利于虾青素的积累。
因此培养条件优化结果为:海水培养基(g·L<'-1>)(乙酸钠2;蛋白胨5;NaCl0.2;KH<,2>PO<,4> 0.01;MgSO<,4>·7H<,2>O 0.02),1μmool·L<'-1>Zn<'2+>,pH 7.5,接种量10[％],5℃,100 r·min<'-1>振荡培养4 d,在这种培养条件下可获得生物量为4.09 g·L<'-1>,虾青素含量为1 908μg·g<'-1>,产量为7 804 μg·L<'-1>。
综上所述,本研究通过对南极红酵母NJ298质膜流动性和抗氧化系统的研究,初步从这两个方面探讨了该菌株的低温适应机制,为南极微生物的极端环境适应性奠定了基础。南极红酵母NJ298类胡萝卜素在其低温适应机制中具有重要作用,而且在生物活性物质应用领域有着广阔的应用前景,该菌株可能是天然虾青素新的潜在来源。
南极红酵母;低温适应性;质膜流动性;虾青素
中国海洋大学
博士
海洋生物学
李光友;缪锦来
2006
中文
Q949.326.1
117
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）