当前我国水产养殖面临严重的病害威胁，而由于环境不友好及日益增加的耐药性问题，传统化药难以满足水产病害防控的需求。因此，从自然界挖掘功能微生物成为生产可替代活性分子的候选途径之一。酵母菌含多种营养物质及功能代谢产物，不仅可作为水产动物的新型蛋白源，增强水产动物对各种饵料的消化吸收，提高饲料利用率，促进水产动物的生长，还有巨大的抗病潜力。

青岛农业大学海洋科学与工程学院章晋勇教授团队针对存在于天然蜂巢环境中的功能酵母菌及其功能代谢产物合成通路取得了系列研究进展，成功开发出多种可应用于水产养殖领域的功能酵母菌和相关代谢产物，并揭示了相关代谢物生物合成的分子机制，为后续功能水产饲料添加剂的研发奠定理论基础。研究结果先后发表于Bioresource Technology、Journal of Agricultural and Food Chemistry与Journal of Hazardous Materials，青年教师薛思佳博士为第一作者，章晋勇教授为通讯作者。

1.筛选了一株高产类胡萝卜素和微生物油脂的圆红冬孢酵母C23菌株并解析了其分子机制

类胡萝卜素是一类具有抗氧化功能的脂溶性色素，广泛应用于癌症治疗、医疗保健、食品和化妆品添加剂中。已知类胡萝卜素能够改善水产动物的抗氧化状态和免疫系统功能，提高其生长性能、抗病性和存活率，且未表现出任何细胞毒性或副作用。因此，类胡萝卜素成为水产养殖中理想的功能性成分之一。微生物油脂作为继动植物油脂之后的又一油脂新资源，被认为是可持续生物柴油生产的未来原料。其所含多不饱和脂肪酸参与多种疾病的预防，特别是DHA（“脑黄金”）和EPA（“血管清道夫”），是理想的水产饲料营养强化剂。因此，开发高产微生物油脂和类胡萝卜素的微生物资源具有重要意义。

团队首次在蜂巢环境中分离出一株嗜渗红酵母（圆红冬孢酵母，Rhodotorula toruloides）C23。该菌株展现出优异的细胞生长能力、广谱的碳源利用特性以及卓越的微生物油脂和类胡萝卜素合成能力。在6.7 L分批发酵过程中，该菌株利用120 g/L葡萄糖同时产生了24.41 g/L微生物油脂和15.50 mg/L类胡萝卜素。此外，在木糖或甘油条件下，该菌株同样表现出良好的微生物油脂和类胡萝卜素合成潜力。研究结果证实R. toruloides C23所积累的微生物油脂是制备高品质生物柴油的理想原料，其制备的生物柴油具有良好燃烧性能。DPPH自由基和羟基自由基清除活性结果显示，R. toruloides C23合成的类胡萝卜素具备优异的抗氧化能力。比较转录组学分析表明，R. toruloides C23进化出一种特有的分子调控机制，以维持其在高糖浓度下快速生长并同时大量积累微生物油脂和类胡萝卜素。本研究对于今后利用R. toruloides C23菌株进行高品质生物柴油和类胡萝卜素的工业化规模生产具有重要意义，以题为“Diversity investigation of cultivable yeasts associated with honeycombs and identification of a novel Rhodotorula toruloides strain with the robust concomitant production of lipid and carotenoid”发表于中科院1区top期刊Bioresource Technology（2023, 370, 128573）。

2.筛选了全球首株高产黄酮类化合物的酵母菌-阿氏丝孢酵母HZ10并揭示了其潜在的生物合成途径

黄酮类化合物（Flavonoids）又名维生素P，是一类由植物次生代谢产生的天然多酚化合物，因具有抗病毒、抗菌、抗虫、抗氧化、抗炎症等多种药理功能，成为近几年“替抗”的重点研究对象。大量研究表明黄酮类化合物在改善水产动物生长性能、增强机体免疫功能以及平衡机体内氧化应激等方面均有显著效果，可作为一种新型绿色饲料添加剂。然而，目前从天然植物中提取黄酮类化合物受到低生产率和工艺复杂性等因素的限制，导致植物中黄酮类化合物分离困难、成本高。因此，产黄酮类化合物的微生物被视为在短时间内高效制备黄酮类化合物的新资源，具有广阔的市场前景。

本研究在自然环境中首次发现一株天然酵母菌株（阿氏丝孢酵母，Trichosporon asahii）HZ10能够合成大量黄酮类化合物，其黄酮总产量可达到146 mg/L，是迄今发现的黄酮类化合物产量最高的天然微生物。经鉴定该菌株合成的黄酮类化合物种类多达40种，包括黄酮、黄酮醇和异黄酮等不同种类以及经甲基化、糖苷化和异戊二烯化的多种结构类型。抗氧化活性分析结果显示总黄酮提取液展现出极高的DPPH自由基和羟自由基清除活性。基因组、转录组和代谢组多组学的联合分析成功揭示了T. asahii HZ10中黄酮中心骨架柚皮素的生物合成途径：先经酪氨酸途径或苯丙氨酸途径形成对香豆酸，对香豆酸活化形成对香豆酰CoA，与丙二酰CoA缩合生成柚皮素查尔酮后进而转化为柚皮素。该途径与植物中黄酮类化合物的合成途径存在一定的相似性，独特之处在于T. asahii HZ10中催化柚皮素查尔酮生成的关键酶并非植物中的Ⅲ型PKS或真菌中的NRPS-PKS，而是同属于硫解酶超家族的硫解酶（TaKAT）。这表明在酵母菌中黄酮骨架—柚皮素的合成机制与植物和丝状真菌存在显著差异。这一发现不仅丰富了对自然界黄酮类化合物生物合成多样性的认识，同时也为开发高效生产黄酮类化合物的微生物工程菌株提供了新思路，以题为“First natural yeast strain Trichosporon asahii HZ10 with robust flavonoid productivity and its potential biosynthetic pathway发表于中科院1区top期刊 Journal of Agricultural and Food Chemistry（2023, 71, 17130-17140）。

3.筛选了具有强亚硒酸盐还原和纳米硒生物合成能力的产黑色素短梗霉I15菌株并揭示了其分子机制

硒（Se）是人类和动物必需的微量营养元素，参与多种蛋白结构和一系列重要的生理代谢途径，如抗氧化防御、甲状腺激素稳态、生长调节和免疫调节等，但摄入过量硒或不足均会导致多种疾病发生。在各种形态的硒化合物中，亚硒酸盐由于其高度可溶性及化学稳定性而对生命体危害最大，也是环境中硒污染物的主要存在形式。微生物可以还原亚硒酸盐为红色单质硒（Se0），颗粒大小从17 nm-500 nm不等。这类由微生物代谢产生的纳米至微米级别的颗粒被称为生物纳米硒（bioSeNP），兼具纳米材料的光电子特性以及抗菌、抗癌和抗氧化等多种生物学活性，在食品、医药、生物传感器和治理重金属污染等方面具有广阔的应用前景。在水产饲料中适量添加硒元素对于增强水产动物的生长性能、生理机能、抗氧化酶活性、免疫力和抗病能力具有重要作用。因此，纳米硒颗粒作为一种高效利用硒元素的策略，在水产动物养殖中得到广泛应用。

微生物进化出丰富多样的机制将亚硒酸盐转化为纳米硒颗粒。目前，细菌中亚硒酸盐还原和纳米硒形成的机制已被广泛阐明，然而酵母样真菌的亚硒酸盐还原和纳米硒生物合成的分子机制仍然完全未知。本研究以一种广泛存在于自然环境中的酵母样真菌—产黑色素短梗霉（Aureobasidium melanogenum）为研究对象，对其亚硒酸盐转化纳米硒的过程进行系统研究，揭示其亚硒酸盐还原和纳米硒生物合成的分子机制，并对其合成的纳米硒颗粒进行特征表征。研究结果显示，在48 小时内，A. melanogenum I15菌株能够高效地将1 mM亚硒酸盐转化为4.44 mg/g纳米硒，该过程在细胞内外通过多条途径介导。首先，A. melanogenum I15通过改变细胞形态以及细胞壁、膜组成来激活防御机制以对抗亚硒酸盐的高毒性。部分亚硒酸盐在进入细胞之前会在周质空间和质膜内被还原。一旦进入细胞质，A. melanogenum I15利用多种氧化还原酶和还原剂（如谷胱甘肽和铁载体）将亚硒酸盐转化为Se0。其中一种存在于细胞膜上的硫化物:醌氧化还原酶催化亚硒酸盐在质膜上转化为Se0，代表了微生物中一条新型的亚硒酸盐还原途径。此外，参与微生物电子传递过程的几种NAD(P)H依赖性还原酶、谷胱甘肽还原酶和3-O-酰基- ACP还原酶在A. melanogenum I15细胞内协同参与亚硒酸盐的还原过程。同时，A. melanogenum I15的细胞外还原过程还涉及到胞外硫氧还蛋白/硫氧还蛋白还原酶系统和胞外金属水解酶/氧化还原酶的作用。生成的Se0通过Ostwald成熟机制在细胞内外聚集成纳米硒颗粒。最终，这些纳米硒能够与表面上存在的多糖、蛋白质和脂质等大分子相互作用，形成稳定的球形结构。该研究首次提供了酵母样真菌中亚硒酸盐还原和纳米硒生物合成的多途径模型，丰富了我们对微生物亚硒酸盐还原机制的认识，并为功能性硒化合物的生产开发提供了一种新途径。近日，以题为“Multi-pathways-mediated mechanisms of selenite reduction and elemental selenium nanoparticles biogenesis in the yeast-like fungus Aureobasidium melanogenum I1”发表于中科院1区top期刊Journal of Hazardous Materials（470, 134204）。”