麦吉尔大学团队发现新型酵母，低温下可从呼吸作用转为乙醇发酵适应寒冷

近日，科学家从南极洲麦克默多干谷 150,000 年前的永久冻土层中分离出新型嗜极酵母 Rhodotorula frigidialcoholis，通过表型和系统发育分析，将 R. frigidialcoholis 归类为新物种。

地球生物圈大部分处在低于 5 °C 的永久低温环境中，包括大面积 < 0 °C 的低温环境，具备地球上最干燥、生物量最低、寒冷和含盐量最高等特点。尽管条件如此苛刻，仍有很多能够进行代谢活动甚至在原位生长的微生物存在于此，包括细菌、古细菌、藻类和真菌。

这些适应寒冷的微生物被称为嗜冷菌或耐冷菌，能够在冰川中存活数千年。生存在这样的环境中，微生物必须克服许多生化和生理挑战，包括低水分和养分利用率、高氧化应激、高太阳辐射和多次冻融循环，膜流动性、酶活性和蛋白质折叠的显著下降，以及稳定的二级抑制性 DNA/RNA 结构的产生。

但微生物也会通过进化，获得适应这种环境的性状，确保在永久冻土层中生存下来。人们对这种冰冻圈冷适应微生物充满了好奇。

曾有过一些关于北极和南极环境中的细菌、古细菌和藻类的研究。最近，人们对存在于在这些环境中的真菌产生了兴趣。真菌在冰冻圈中起着关键作用，因为它们是通过内生和地衣关系产生初级生物质的重要促进剂并参与养分循环。

冰冻圈冷适应真菌的一个例子是一种红酵母属的单细胞粉色酵母 Rhodotorula frigidialcoholis，在麦吉尔大学 (McGill University) 最近的一项研究中，科学家将其从寒冷的生态系统中分离出来并进行分析、鉴定，发现它们在地球上最寒冷和最干燥的地方生存，并进化出了独特的策略来应对恶劣的环境。

图 | Rhodotorula frigidialcoholis 的形态（来源：论文）

在此之前，科学家曾在许多寒冷生态系统中检测到担子菌酵母，但尚未完全了解它们对低温的适应策略。使酵母存活的分子机制包括产生抗冻剂和冷活性蛋白、相容的溶质以及膜流动性的增加。

新发现的冷适应酵母 Rhodotorula frigidialcoholis，是从南极洲麦克默多干谷 150,000 年前的冰冻永久冻土中分离出来的。为了表征其冷适应策略，科学家们进行了 mRNA 和 sRNA（小 非编码 RNA） 转录组学分析、表型分析，并评估了 0 和 23 °C 下的乙醇产量。

转录组学分析结果表明，Rhodotorula frigidialcoholis 通过多种机制适应南极干谷永久冻土区的低温，包括增加PPP 基因（磷酸戊糖途径中涉及到的基因）的表达，增加类胡萝卜素、鞘脂、不饱和脂肪酸和胞外多糖的产生，同时减少生长、转录和翻译机制基因的表达。

科 学家们还确定了新的寒冷适应特征，包括通过下调柠檬酸循环基因和 ETC 基因（电子传 递链），从 23 °C 的呼吸代谢转变为在寒冷条件下 (0 °C) 生长时的发酵代谢。这种转换可能是在低温环境（例如南极永久冻土）中节省能源和延迟细胞内冻结的一种适应。同时，R. frigidialcoholis 过表达参与乙醇和木糖醇发酵的基因。

在低温下，R. frigidialcoholis 也过度表达称为 sRNA 的分子，特别是短 rRFs/miRNA，并过度表达了 Dicer 基因，表明 RNAi 是极地真菌寒冷适应的新机制。需要进一步表征乙醇生产的作用和鉴定 RNAi 的 mRNA 靶标，以确定它们在冰冻圈酵母冷适应中所起的作用。

R. frigidialcoholis 现在还保持着微生物生产乙醇的最低温度条件记录。

图 | 与 23℃相比，0℃冷红酵母中每个 KEGG 代谢途径和细胞过程显着差异表达的基因数量。（来源：论文）

参考资料：

• https://massivesci.com/notes/cryosphere-cold-ethanol-yeast-microbes/

• https://doi.org/10.1038/s41396-021-01030-9

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