Basidiosporer

134.1 Xanthophyllomyces dendrorhous Golubev (1995)

Anamorfe: Phaffia rhodozyma M.W. Miller, Yoneyama & Soneda (1976b)

Vækst på gærmorfologisk agar: Efter 1 måned ved 18°C er stribekulturen orange til lakse-rød, næsten glat, blank til halvmørk, blød og med hel eller bølget rand. Der kan dannes sfæriske chlamydosporer med refraktile granula.

Slidkulturer på majsmelagar: Efter 10 dage ved 18°C kan der forekomme rudimentære pseudohyphaer. Der dannes ingen ægte hyfer. Ballistoconidier observeres ikke.

CoQ: 10 (Sugiyama et al. 1985).

Mol% G+C: 48,3 (BD: Miller et al. 1976b).

Kulhydrater i cellen: Mannose, xylose, glukose, galaktose og rhamnose er til stede i helcellehydrolysater (Johnson et al. 1978).

Typestamme: CBS 7918.

Origin af de undersøgte stammer: CBS 7918.

Origin af de undersøgte stammer: Dataene i ovenstående standardbeskrivelse er indsamlet fra typestammen CBS 7918, som blev isoleret af Golubev (1995) fra fluxen fra et sølvbirketræ (Betula pendula) i Moskva-regionen i Rusland og fra CBS-webstedet for stammerne CBS 5905, som er typestammen af Phaffia rhodozyma, der er isoleret fra et japansk bøgetræ (Fagus crenata) i Japan (Phaff et al. 1972); CBS 5908, fra et japansk elletræ (Alnus japonica) i Japan (Phaff et al. 1972); CBS 6938, fra en stub af Betula sp. i Finland indsamlet af O. Turpeinen i Finland, maj 1977 (Golubev 1998b); CBS 7919, fra en hvid birk (Betula tauschii) i Japan (Phaff et al. 1972) og CBS 9090, som formodes at have samme kilde som CBS 5905 (Fell et al. 2007). Disse stammer og yderligere isolater blev undersøgt ud fra fylogenetiske analyser (Fell et al. 2007, se nedenfor: “Systematik”).

Systematik: Xanthophyllomyces er et medlem af Cystofilobasidiales. Xanthophyllomyces har en karakteristisk seksuel reproduktionscyklus blandt Cystofilobasidiales og blandt de basidiomycetøse gærarter generelt. Cyklussen er homokaryotisk gennem parring af celle og knop. Der produceres et langstrakt holobasidium, og basidiosporer produceres terminalt på små pinde. Terminal dannelse af basidiosporer på holometabasidier findes hos Cystofilobasidiales (se Cystofilobasidium capitatum). I modsætning hertil omfatter seksualcyklussen hos C. capitatum og andre medlemmer af Cystofilobasidiales dannelsen af teliosporer, et kendetegn, som ikke findes hos Xanthophyllomyces.

Økologi: Xanthophyllomyces dendrorhous er blevet isoleret fra plantesaft fra træer i tempererede områder på den nordlige og sydlige halvkugle. Levestederne omfatter japansk elletræ (Alnus japonica) i Japan (Phaff et al. 1972), en rådnende stump af et birketræ (Betula sp.) i Finland (Golubev 1998b), papirbirk (Betula papyrifera) i Alaska, hvid birk (B. tauschii) i Japan (Phaff et al. 1972), grå birk (B. populifolia) i Wisconsin og Illinois, USA (opnået af C.P. Kurtzman som rapporteret i Fell et al. 2007), sølvbirk (B. pendula) i Rusland (Golubev 1995) og rådnende stubbe i Kaiserslautern, Tyskland (Weber et al. 2006), kornel (Cornus brachypoda) i Japan (Phaff et al. 1972), japansk bøg (Fagus crenata) i Japan (Phaff et al. 1972) og sydlige bøgetræer (Nothofagus sp.) i Argentina (Libkind et al. 2007). Sidstnævnte undersøgelse rapporterede om forekomsten af X. dendrorhous i forbindelse med frugtlegemer af ascomyceten Cyttaria hariotti, som er en parasit på det sydlige bøgetræ. For nylig blev en Xanthophyllomyces-stamme (MIC-CONC-2006-762) isoleret fra et blad af det tasmanske blå tyggegummitræ (Eucalyptus globules) i middelhavsklimaet ved Concepción, Chile, af Weber et al. (2008). Forfatterne rapporterede, at stammen ikke blev grupperet med X. dendrorhous-komplekset (herunder Phaffia rhodozyma) i ITS og LSU rRNA-fylogenetiske analyser. Stammen adskilte sig også fra andre stammer af Xanthophyllomyces ved at kunne vokse ved 28 °C i modsætning til den typiske maksimale temperatur for vækst på 25 °C. Den blå gummi er hjemmehørende på Tasmanien og i Australien og er blevet eksporteret til hele verden på grund af sin værdi i træproduktionen. En undersøgelse af Xanthophyllomyces-stammer, der er forbundet med den verdensomspændende udbredelse af det blå tyggegummitræ, kunne give interessante økologiske og fylogenetiske oplysninger.

Bioteknologi: Xanthophyllomyces dendrorhous har værdi inden for bioteknologi som en kilde til astaxanthin, primært til maricultur (Johnson og Schroeder 1995). De tidlige undersøgelser af laksefisk og dyrefoder, som viste effektiviteten som en kilde til pigmentering, blev udført med Phaffia rhodozyma (se kapitel 152). Efterfølgende blev der udviklet stammer af X. dendrorhous, som producerer høje niveauer af astaxanthin, til kommerciel produktion. De fleste mutanter blev isoleret ved tilfældig mutagenese og screening på grund af manglende viden om artens genetik. Der blev udviklet metoder til isolering af hyperproducerende mutanter såsom antimycin-agar-selektion, anvendelse af flowcytometri og cellesortering (An et al. 1989, 1991) og betingelser for øget carotenoidsyntese under vækst (Gu et al. 1997, Schroeder og Johnson 1995, Schroeder et al. 1996).

Da carotenoidbiosyntesen er et af de fremragende kendetegn ved X. dendrorhous, er den blevet undersøgt ret detaljeret. Ca. 85 % er astaxanthin med mindre mængder af β-caroten og andre carotenoider (Andrewes et al. 1976). Astaxanthin fra P. rhodozyma, og formodentlig også i X. dendrorhous, har 3R, 3R’-konfiguration, modsat astaxanthin fra andre hidtil undersøgte kilder (Andrewes og Starr 1976). Carotenoidindholdet og -mængden varierer betydeligt, hvilket afhænger af stammen og kulturbetingelserne. Carotenoidproduktionen stimuleres markant af ilt og afledte reaktive iltarter (An et al. 1989, Johnson og Lewis 1979, Schroeder et al. 1985). Der er blevet isoleret mange carotenoiddannende mutanter, som giver forskellige farver på vækst på agar, herunder hvid, gul og dyb orangerød (Johnson 2003). Dannelsen af carotenoider og den attraktive gærfarve giver et fremragende undervisningsværktøj i gærbiologi (Weber og Davoli 2003).

Biosyntesen af de forskellige carotenoider i X. dendrorhous og P. rhodozyma er dårligt forstået. Der er blevet isoleret og sekventeret gener, der fører til β-caroten (Visser et al. 2003). I 1989 blev det foreslået, at cytokrom P-450-enzymer var ansvarlige for omdannelsen af β-caroten til astaxanthin (An et al. 1989), og det var først i 2006, at et gen, der koder for et cytokrom P-450 af den menneskelige 3A-subfamilie, blev isoleret med den formodede funktion af β-carotenomdannelse. Introduktion af genet i en β-carotenmutant isoleret af An et al. (1989) genetablerede astaxanthinbiosyntesen (Ojima et al. 2006). Et fuldstændigt bevis for, at dette genprodukt udelukkende er ansvarlig for β-carotenkonverteringen til astaxanthin, vil imidlertid kræve yderligere undersøgelser, herunder oprensning og karakterisering af enzymet/enzymerne. Til dato er analysen af enzymer til carotenoidbiosyntese ikke blevet gennemført, hvilket primært skyldes deres lipofile natur og membranplacering, manglen på kommercielt tilgængelige carotenoid-substrater i biosyntetikvejen og sandsynligheden for langsom katalytisk aktivitet.

I andre undersøgelser blev X. dendrorhous rapporteret til at producere et trisaccharid, neokestose, med potentiel probiotisk aktivitet (Kritzinger et al. 2003). For nylig blev der isoleret en α-glucosidase med amylolytisk aktivitet fra X. dendrorhous (Marín et al. 2006), hvilket understøtter gærens evne til at vokse på maltose.

Det primære levested for X. dendrorhous og P. rhodozyma er blevet anset for at være slimflux fra løvtræer på nordlige breddegrader og i store højder. I dette levested har carotenoiderne i gæren sandsynligvis den funktion at yde beskyttelse mod fotogenerede svampedræbende stoffer i træernes flux, såsom reaktive oxygenarter, herunder singlet oxygen, hydrogenperoxid og ozon (Schroeder og Johnson 1995). Eksponering for lys påvirker også vækst og karotenoiddannelse i X. dendrorhous (An og Johnson 1990). Schroeder og Johnson (1993a,b, 1995) påviste, at en primær fysiologisk funktion af carotenoider i X. dendrorhous er at beskytte mod at blive dræbt af reaktive oxygenarter. X. dendrorhous er ofte isoleret fra slimsvampe eller løvtræer eller i forbindelse med andre svampe, og man kan forvente, at der er interaktioner mellem svampene. Echavarri-Erasun og Johnson (2004) fandt, at vækst og astaxanthin-dannelse i X. dendrorhous blev påvirket af ascomyceten Epicoccum nigrum og cellefri ekstrakter fra svampen. I et sådant eksempel på svampeinteraktion blev det rapporteret, at X. dendrorhous-stammer under laboratoriebetingelser nedbryder ochratoxin (Péteri et al. 2007), som er et toksin, der produceres af Aspergillus- og Penicillium-arter. Yderligere undersøgelser af X. dendrorhous’ økologi og interaktioner inden for mikrobielle konsortier ville føre til større indsigt i gærens biologi.

Landbrug og fødevarer: Astaxanthin produceres kommercielt som fodertilskud, hovedsagelig til akvakultur af laksedyr. Pigmentet kan med tiden blive anvendt på andre fodermarkeder til fjerkrækød, kyllingeæg, krebsdyr og eksotiske fugle som f.eks. flamingoer. Astaxanthin er et fint kemikalie, der traditionelt er blevet fremstillet ved total kemisk syntese, men processen kræver flere trin og resulterer i en blanding af fire chirale isoformer (Johnson og Schroeder 1995). De naturlige former af astaxanthin består kun af én chiral isoform, enten 3S, 3S’- eller 3R, 3R’. Naturlige kilder, der er undersøgt med henblik på anvendelse i foder og fødevarer, omfatter gæren X. dendrorhous, mikroalgen Haematococcus pluvialis, thraustochytrider og ekstrakter af krill og rejer, men ekstrakter af krill og krebsdyr er ikke økonomisk rentable på grund af deres lave koncentrationer af astaxanthin.

Efter identifikationen af astaxanthin i Phaffia rhodozyma af Andrewes et al. (1976) begyndte visse amerikanske, danske, hollandske, schweiziske og japanske virksomheder at udvikle stammer til industriel brug. Der blev udviklet stammer af X. dendrorhous i industrien, som producerer 5-15 mg/kg gær-tørstof. Haematococcus pluvialis er også en kommerciel naturlig kilde til astaxanthin, og under særlige kulturbetingelser producerer algen store mængder astaxanthin (10-20 mg/g) i cysterne. Dyrkning af algen kræver specialiserede og langvarige dyrkningsbetingelser og frigørelse af astaxanthin fra cysterne. X. dendrorhous har den fordel, at den vokser hurtigt og har et højt niveau af biomasse i gæringskultur (100-150 g gær pr. liter). Gæren skal imidlertid dyrkes ved lave temperaturer (≤25 °C), og som et yderligere problem ved anvendelse som foderingrediens skal gærens tykke cellevæg behandles ved mekanisk brud, enzymatisk fordøjelse eller autolyse for at muliggøre frigørelse af carotenoiderne.

Klinisk betydning: Gæren vokser ikke over 25 °C og anses for at være sikker til menneskeføde. Astaxanthin har potente antioxidative egenskaber, og det markedsføres som et kosttilskud, der kan forebygge degenerative sygdomme og aldring (Hussein et al. 2006).