大连工业大学食品学院张素芳教授课题组在Food Bioscience杂志发表研究性论文

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类胡萝卜素是一类广泛存在的天然色素，具有抗氧化、免疫调节和抗菌等多种生物活性，是维生素A的重要来源，广泛应用于食品、医药和化妆品行业。其中，红酵母红素仅能由红酵母属菌株产生，因其优异的抗氧化性能而备受关注。研究表明，红酵母红素不仅能够增强免疫力、降低疾病风险，还能在胁迫条件下维持细胞膜完整性，促进细胞生长，同时具有抗菌和抗真菌活性，展现出良好的应用前景。

此前，团队通过农杆菌介导转化技术筛选得到高产红酵母红素的突变株 Rhodosporidium toruloides A1-15，其红酵母红素生产能力显著高于其他菌株，表现出对红酵母红素独特的选择性。进一步研究表明，在营养胁迫（氮限制）条件下 A1-15 对ROS的响应与野生型菌株NP11存在差异，提示该突变株在应对胁迫时可能采用了特有的代谢调控机制。

盐胁迫作为另一种重要的环境压力，会导致细胞内ROS的积累，进而引发氧化损伤。已有研究报道，在部分色素生产菌株（如某些藻类和红酵母）中，盐胁迫条件能够促进类胡萝卜素的合成。类胡萝卜素作为细胞内非酶促抗氧化系统的重要组成部分，可以有效减轻胁迫引发的细胞损伤。基于此，团队采用恒化培养系统，结合多组学技术，对A1-15和NP11在盐胁迫条件下的代谢差异及调控机制进行了深入分析，以期揭示A1-15红酵母红素高产的关键因素，并为优化类胡萝卜素的生产提供理论依据。

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本研究利用多组学联合分析（脂质组、代谢组、转录组）、关键代谢物定量分析、酶学分析、RT-qPCR验证，对A1-15与NP11在响应盐胁迫的共性和差异，包括氨基酸代谢、脂质代谢、氧化磷酸化、胞内ROS水平、抗氧化酶活性等方面进行了探讨，并着重分析了二者在类胡萝卜素合成表现上的差异。结果表明，在代谢共性方面：两株菌在盐胁迫下均上调了与麦角固醇生物合成相关的基因，表明这可能是R. toruloides 的一种固有的压力响应机制。此外，NP11 和 A1-15 均显著上调了 COX7A 基因，该基因的上调可能通过提高电子传递效率、减少 ROS 产生以及满足胁迫条件下的能量需求来发挥作用。这也是首次在R. toruloides相关的研究中提及并探讨COX7A 基因的功能。在代谢差异方面：NP11 的主要适应机制是增强脂质合成来应对胁迫，而其类胡萝卜素合成能力在胁迫下显著下降；相比之下，A1-15的类胡萝卜素合成能力显著上调，成为其主要的胁迫适应机制。通过调控CRTI和CRTY基因的表达差异，代谢流被引导至红酵母红素合成，而非其他类胡萝卜素（β-胡萝卜素）。在 ROS 水平升高的条件下，A1-15能大量合成具有更强抗氧化能力的红酵母红素，表现出其独特的代谢调控机制。

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Fig.2 Metabolomic analysis of NP11 and A1-15 under salt stress. (a) PCA score plot for all metabolite profiles. (b) Profile of Veen plots. (c) KEGG enrichment analysis of the differential metabolites commonly present in comparison pairs. (d) GSVA analysis of amino acid metabolism based on RNA-seq data. (e) Analysis of relative amino acid content based on metabolomic data.

Fig.3 Differences in lipid metabolism of NP11 and A1-15 under salt stress. (a) PCA score plot for all lipid profiles. (b) Lipid metabolic network of NP11 and A1-15 based on KEGG pathway. (c) Changes in lipid metabolism related genes. (d) Differential lipid analysis based on lipidomics.

Fig.4 Determination of ROS level and antioxidant enzyme activities in NP11 and A1-15 under different conditions. (a) ROS. (b) CAT. (c) SOD. (d) POD. (e) Differential gene changes in the oxidative phosphorylation system. (f) RT-qPCR validation of COX7A gene

Fig.5 Carotenoid biosynthesis of NP11 and A1-15. (a) Content of compounds in mevalonate pathway. (b) Content of different types of carotenoids. (c) Percentage content of different types of carotenoids. (d) Terpenoid backbone lengthening and carotenoid biosynthesis. (e) GSVA analysis of pathways related to terpene metabolism based on RNA-seq. (f) RT-qPCR validation of GGPS, CRTI and CRTY genes.

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第一作者

刘梦杨，大连工业大学食品学院、海洋食品加工与安全控制全国重点实验室、国家海洋食品工程技术研究中心2019级博士研究生，主要从事研究领域：发酵食品以及微生物发酵生产高附加值产物。

通讯作者

林心萍，大连工业大学教授、博士生导师。中国食品科学技术学会传统酿造食品分会理事，辽宁省食品安全专家委员会成员。主要研究方向为发酵食品（发酵机制解析；优良发酵剂的挖掘及应用）与发酵工程（微生物细胞工厂的开发及应用）。发表学术论文60余篇，其中以第一作者或通讯作者发表SCI/EI收录论文36余篇；作为第一发明人获授权国家发明专利7件；参与团体标准2项，企业标准3项。入选辽宁省“百千万人才工程”万人层次，大连市科技之星，辽宁省黄大年教师团队。2016年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖科技进步二等奖（第10完成人）；2016年获大连市2016科技奖励科技进步二等奖（第9完成人）；2017年获大连市科技进步一等奖（公示阶段）（第10完成人）。

共同通讯作者

王海涛，大连工业大学副教授、博士生导师。主要研究方向为： 基于食品结构设计的食品品质控制研究。入选辽宁省百千万人才万人层次，大连市科技之星。主持国家自然科学基金面上项目1项、青年项目1项，国家“十四五”重点研发计划子任务2项，国家“十三五”重点研发计划子任务1项，省市级课题4项；第一/通讯作者发表论文31篇，其中SCI收录30篇（IF大于10为9篇，高被引论文2篇，单篇影响因子最高32.1），EI收录1篇，授权发明专利8件。获国家级教学成果二等奖，辽宁省教学成果一等奖，辽宁省研究生教学成果奖二等奖，辽宁省教学成果三等奖，辽宁省自然科学学术成果奖三等奖等，辽宁省第十届辽宁省大学生创新创业年会优秀指导教师、第十四届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导教师。

课题组长

张素芳，大连工业大学食品学院教授，博士生导师。中国食品学会葡萄酒分会委员，辽宁省食品科学技术学会理事，主要从事食品微生物资源开发和利用、发酵工程和代谢工程、发酵食品微生物菌群解构和重构等研究。目前主持国家“十三五”重点研发专项项目子课题、国家“十四五”重点研发专项项目子课题、国家自然科学基金重点项目等国家级纵向科研课题7项，其他项目8项。以第一发明人获中国授权发明专利16件，PCT专利1件。发表学术论文40余篇。获2021年辽宁省自然科学奖二等奖（第3完成人）、2018年大连市技术发明奖一等奖（第2完成人）、2017年辽宁省科技进步三等奖（第3完成人）各1项。