Basidiospore

134.1 Xanthophyllomyces dendrorhous Golubev (1995)

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

Kasvu hiivamorfologia-agarilla: 1 kk:n kuluttua 18 °C:n lämpötilassa juovaviljelmä on oranssista lohenpunaiseen vaihteleva, lähes sileä, kiiltävä tai puolihimmeä, pehmeä ja sen marginaali on kokonainen tai aaltoileva. Saattaa muodostua pallomaisia klamydosporeita, joissa on taittuvia rakeita.

Liukuviljelmät maissijauhoagarilla: Kymmenen vuorokauden kuluttua 18 °C:n lämpötilassa saatetaan esiintyä rudimentaarisia pseudohyfoja. Todellisia hyfoja ei muodostu. Ballistokonidioita ei havaita.

CoQ: 10 (Sugiyama et al. 1985).

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

Solun hiilihydraatit: Mannoosia, ksyloosia, glukoosia, galaktoosia ja ramnoosia esiintyy kokosoluhydrolysaateissa (Johnson et al. 1978).

Tyyppikanta: CBS 7918.

Tutkittujen kantojen alkuperä: Golubev (1995) on eristänyt tyyppikannan CBS 7918 Venäjän Moskovan alueella sijaitsevan rauduskoivun (Betula pendula) vuosta, ja CBS:n verkkosivuilta löytyvät tiedot kannoista CBS 5905, joka on Japanissa japaninpyökistä (Fagus crenata) eristetyn Phaffia rhodozyma -lajin tyyppikanta (Phaff et al. 1972); CBS 5908, japaninlehdestä (Alnus japonica) Japanissa (Phaff ym. 1972); CBS 6938, O. Turpeisen Suomessa toukokuussa 1977 keräämästä Betula sp. -lajin kannosta Suomessa (Golubev 1998b); CBS 7919, valkoisesta koivusta (Betula tauschii) Japanissa (Phaff ym. 1972), ja CBS 9090, jonka lähteenä pidetään samaa kuin CBS 5905:n (Fell ym. 2007). Näitä kantoja ja muita isolaatteja tutkittiin fylogeneettisistä analyyseistä (Fell ym. 2007, ks. jäljempänä: ”Systematics”).

Systematics: Xanthophyllomyces kuuluu Cystofilobasidiales-sukuun. Xanthophyllomycesillä on Cystofilobasidiales-heimon ja yleensäkin basidiomykeettisten hiivojen joukossa erikoinen seksuaalinen lisääntymiskierto. Sykli on homokaryoottinen solun ja silmun pariutumisen kautta. Syntyy pitkulainen holobasidium, ja basidiosporat syntyvät terminaalisesti pieniin tappeihin. Basidiosporien terminaalinen muodostuminen holometabasidioihin esiintyy Cystofilobasidiales-suvussa (ks. Cystofilobasidium capitatum). Sitä vastoin C. capitatumin ja muiden Cystofilobasidiales-heimon jäsenten sukusykliin kuuluu teliosporien muodostuminen, mikä on ominaisuus, jota ei ole Xanthophyllomyces-heimossa.

Ekologia: Xanthophyllomyces dendrorhous on eristetty puiden mehusta pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon lauhkeilla alueilla. Elinympäristöihin kuuluvat japaninleppä (Alnus japonica) Japanissa (Phaff ym. 1972), koivun (Betula sp.) lahoava kanto Suomessa (Golubev 1998b), paperikoivu (Betula papyrifera) Alaskassa, valkokoivu (B. tauschii) Japanissa (Phaff ym. 1972), harmaakoivu (B. populifolia) Wisconsinissa ja Illinoisin osavaltiossa, USA:ssa (saatu C.P. Kurtzman, Fell ym. 2007), rauduskoivu (B. pendula) Venäjällä (Golubev 1995) ja mätänevät kannot Kaiserslauternissa, Saksassa (Weber ym. 2006), koiranheinä (Cornus brachypoda) Japanissa (Phaff ym. 1972), japaninpyökki (Fagus crenata) Japanissa (Phaff ym. 1972) ja etelänpyökki (Nothofagus sp.) Argentiinassa (Libkind ym. 2007). Jälkimmäisessä tutkimuksessa raportoitiin X. dendrorhous -bakteerin esiintymisestä eteläisen pyökin loisen Cyttaria hariotti -askomykeetin hedelmäkappaleiden yhteydessä. Hiljattain Weber et al. (2008) eristivät Xanthophyllomyces-kannan (MIC-CONC-2006-762) Chilen Concepciónin välimerellisessä ilmastossa sijaitsevan Tasmanian blue gum -puun (Eucalyptus globules) lehdestä. Kirjoittajat raportoivat, että kanta ei ITS- ja LSU-rRNA-fylogeneettisissä analyyseissä klusteroitunut X. dendrorhous -kompleksin (mukaan lukien Phaffia rhodozyma) kanssa. Kanta erosi muista Xanthophyllomyces-kannoista myös siinä, että se kykeni kasvamaan 28 °C:ssa, toisin kuin tyypillinen enimmäislämpötila 25 °C:ssa. Sinikumi on kotoisin Tasmaniasta ja Australiasta, ja sitä on viety kaikkialle maailmaan sen puutavaran tuotantoon liittyvän arvon vuoksi. Sinikumin maailmanlaajuiseen levinneisyyteen liittyvien Xanthophyllomyces-kantojen tutkiminen voisi tarjota mielenkiintoista ekologista ja fylogeneettistä tietoa.

Biotekniikka: Xanthophyllomyces dendrorhousilla on arvoa biotekniikassa astaksantiinin lähteenä, pääasiassa meriviljelyssä (Johnson ja Schroeder 1995). Varhaiset lohikaloja ja eläinten ruokintaa koskevat tutkimukset, jotka osoittivat tehon pigmenttilähteenä, tehtiin Phaffia rhodozyma -kasvintuhoojalla (ks. 152 luku). Myöhemmin kaupalliseen tuotantoon kehitettiin X. dendrorhous -kantoja, jotka tuottavat runsaasti astaksantiinia. Useimmat mutantit eristettiin satunnaismutageneesin ja -seulonnan avulla, koska lajin genetiikasta ei ollut tietoa. Hypertuottajamutanttien eristämiseen kehitettiin menetelmiä, kuten antimysiini-agar-selektio, virtaussytometrian ja solujen lajittelun soveltaminen (An ym. 1989, 1991) sekä olosuhteet, joissa karotenoidisynteesi lisääntyy kasvun aikana (Gu ym. 1997, Schroeder ja Johnson 1995, Schroeder ym. 1996).

Koska karotenoidien biosynteesi on yksi X. dendrorhous -lajin merkittävimmistä piirteistä, sitä on tutkittu jonkin verran yksityiskohtaisesti. Noin 85 % on astaksantiinia ja vähäisiä määriä β-karoteenia ja muita karotenoideja (Andrewes ym. 1976). P. rhodozyman ja oletettavasti myös X. dendrorhousin astaksantiinilla on 3R, 3R’-konfiguraatio, joka on päinvastainen kuin muiden tähän mennessä tutkittujen lähteiden astaksantiinilla (Andrewes ja Starr 1976). Karotenoidien pitoisuus ja määrä vaihtelevat huomattavasti, mikä riippuu kannasta ja viljelyolosuhteista. Happi ja sen johdannaiset reaktiiviset happilajit stimuloivat karotenoidituotantoa huomattavasti (An ym. 1989, Johnson ja Lewis 1979, Schroeder ym. 1985). On eristetty monia karotenoideja muodostavia mutantteja, jotka antavat agarilla erivärisen kasvun, kuten valkoisen, keltaisen ja syvän oranssinpunaisen (Johnson 2003). Karotenoidien muodostuminen ja hiivan houkutteleva väri tarjoavat erinomaisen opetusvälineen hiivan biologiassa (Weber ja Davoli 2003).

X. dendrorhousin ja P. rhodozyman erilaisten karotenoidien biosynteesi tunnetaan huonosti. On eristetty ja sekvensoitu geenejä, jotka johtavat β-karoteeniin (Visser ym. 2003). Vuonna 1989 ehdotettiin, että sytokromi P-450 -entsyymit ovat vastuussa β-karoteenin muuntamisesta astaksantiiniksi (An ym. 1989), ja vasta vuonna 2006 eristettiin ihmisen 3A-alaperheeseen kuuluvaa sytokromi P-450:tä koodaava geeni, jonka oletettu tehtävä on β-karoteenin muuntaminen. Geenin käyttöönotto An ym. (1989) eristämään β-karoteenimutaatioon palautti astaksantiinin biosynteesin (Ojima ym. 2006). Täydellinen näyttö siitä, että tämä geenituote on yksin vastuussa β-karoteenin muuntamisesta astaksantiiniksi, edellyttää kuitenkin lisätutkimuksia, mukaan lukien entsyymin (entsyymien) puhdistaminen ja karakterisointi. Tähän mennessä karotenoidien biosynteesin entsyymien analyysiä ei ole tehty, mikä johtuu pääasiassa niiden lipofiilisestä luonteesta ja kalvosijainnista, kaupallisesti saatavilla olevien karotenoidisubstraattien puutteesta biosynteesireitillä ja todennäköisestä hitaasta katalyyttisestä aktiivisuudesta.

Toisissa tutkimuksissa X. dendrorhousin raportoitiin tuottavan trisakkaridia, neokestoosia, jolla on potentiaalinen probioottinen aktiivisuus (Kritzinger ym. 2003). Hiljattain X. dendrorhousista eristettiin α-glukosidaasi, jolla on amylolyyttistä aktiivisuutta (Marín ym. 2006), mikä tukee hiivan kykyä kasvaa maltoosilla.

X. dendrorhousin ja P. rhodozyman pääasiallisena elinympäristönä on pidetty pohjoisten leveysasteiden ja suurten korkeuksien lehtipuiden limavirtoja. Tässä elinympäristössä hiivan karotenoidien tehtävänä on luultavasti tarjota suojaa puiden limavirrassa fotogeenisesti syntyviä sienestäviä aineita, kuten reaktiivisia happilajeja, kuten singlettihappea, vetyperoksidia ja otsonia vastaan (Schroeder ja Johnson 1995). Valolle altistuminen vaikuttaa myös X. dendrorhousin kasvuun ja karotenoidien muodostumiseen (An ja Johnson 1990). Schroeder ja Johnson (1993a,b, 1995) osoittivat, että karotenoidien ensisijainen fysiologinen tehtävä X. dendrorhousissa on suojautua reaktiivisten happilajien aiheuttamalta tappamiselta. X. dendrorhous on usein eristetty limanuljaskasvustoista tai lehtipuista tai yhdessä muiden sienten kanssa, ja voidaan olettaa, että sienten välillä on vuorovaikutusta. Echavarri-Erasun ja Johnson (2004) havaitsivat, että ascomycete Epicoccum nigrum ja sienestä saadut soluttomat uutteet vaikuttivat X. dendrorhousin kasvuun ja astaksantiinin muodostumiseen. Eräässä esimerkissä sienien vuorovaikutuksesta X. dendrorhous -kantojen raportoitiin hajottavan laboratorio-olosuhteissa okratoksiinia (Péteri et al. 2007), joka on Aspergillus- ja Penicillium-lajien tuottama toksiini. Lisätutkimukset X. dendrorhousin ekologiasta ja vuorovaikutuksesta mikrobikonsortioiden sisällä johtaisivat parempaan ymmärrykseen hiivan biologiasta.

Viljely ja elintarvikkeet: Astaksantiinia tuotetaan kaupallisesti rehun lisäaineena pääasiassa lohikalojen vesiviljelyyn. Väriainetta saatetaan lopulta käyttää myös muilla rehumarkkinoilla siipikarjanlihan, kananmunien, äyriäisten ja eksoottisten lintujen, kuten flamingojen, ruokinnassa. Astaksantiini on hieno kemikaali, jota on perinteisesti tuotettu täydellisellä kemiallisella synteesillä, mutta prosessi vaatii useita vaiheita ja johtaa neljän kiraalisen isomuodon seokseen (Johnson ja Schroeder 1995). Astaksantiinin luonnollisissa muodoissa on vain yksi kiraalinen isoformi, joko 3S, 3S’- tai 3R, 3R’. Rehu- ja elintarvikekäyttöön tutkittuja luonnollisia lähteitä ovat muun muassa hiiva X. dendrorhous, mikrolevä Haematococcus pluvialis, thraustochytridit sekä krilli- ja katkarapuuutteet, mutta krilli- ja äyriäisuutteet eivät ole taloudellisesti käyttökelpoisia, koska niiden astaksantiinipitoisuudet ovat pieniä.

Sen jälkeen kun Andrewes et al. (1976) tunnistivat astaksantiinin Phaffia rhodozymassa, eräät amerikkalaiset, tanskalaiset, hollantilaiset, sveitsiläiset ja japanilaiset yritykset alkoivat kehittää kantoja teolliseen käyttöön. Teollisuudessa kehitettiin X. dendrorhous -kantoja, jotka tuottavat 5-15 mg/kg hiivan kuiva-ainetta. Haematococcus pluvialis on myös kaupallinen luonnollinen astaksantiinin lähde, ja erikoistuneissa viljelyolosuhteissa levä tuottaa suuria määriä astaksantiinia (10-20 mg/g) kystoissaan. Levän viljely edellyttää erikoistuneita ja pitkiä viljelyolosuhteita ja astaksantiinin vapauttamista kystistä. X. dendrorhousin etuna on nopea kasvu ja suuret biomassamäärät fermentointiviljelyssä (100-150 g hiivaa litrassa). Hiivaa on kuitenkin kasvatettava alhaisissa lämpötiloissa (≤25 °C), ja lisäongelmana rehun ainesosana käytettäessä hiivan paksua soluseinää on käsiteltävä mekaanisesti murtamalla, entsymaattisesti pilkkomalla tai autolyysiä käyttäen, jotta karotenoidit saadaan vapautettua.

Kliininen merkitys: Hiiva ei kasva yli 25 °C:n lämpötilassa, ja sitä pidetään turvallisena ihmisravinnoksi. Astaksantiinilla on voimakkaita antioksidatiivisia ominaisuuksia, ja sitä markkinoidaan ravintolisänä, joka voisi ehkäistä degeneratiivisia sairauksia ja ikääntymistä (Hussein ym. 2006).