Basidiospore

134.1 Xanthophyllomyces dendrorhous Golubev (1995)

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

Groei op gistmorfologie-agar: Na 1 maand bij 18°C is de streepjeskweek oranje tot zalmrood, bijna glad, glanzend tot half dof, zacht en met de rand gaaf of golvend. Er kunnen bolvormige chlamydosporen met brekingskorrels worden gevormd.

Glijculturen op maïsmeel agar: Na 10 dagen bij 18°C kunnen rudimentaire pseudohyphae ontstaan. Er worden geen echte hyfen gevormd. Ballistoconidia worden niet waargenomen.

CoQ: 10 (Sugiyama et al. 1985).

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

Cellenkoolhydraten: Mannose, xylose, glucose, galactose en rhamnose zijn aanwezig in hydrolysaten van de hele cel (Johnson et al. 1978).

Type stam: CBS 7918.

Oorsprong van de bestudeerde stammen: De gegevens in bovenstaande standaardbeschrijving zijn samengesteld op basis van de typestam CBS 7918, die door Golubev (1995) werd geïsoleerd uit de flux van een zilverberk (Betula pendula) in de regio Moskou in Rusland en van de CBS-website voor de stammen CBS 5905, die de typestam is van Phaffia rhodozyma, geïsoleerd uit een Japanse beuk (Fagus crenata) in Japan (Phaff et al. 1972); CBS 5908, uit een Japanse els (Alnus japonica) in Japan (Phaff et al. 1972); CBS 6938, uit een stronk van Betula sp. in Finland, verzameld door O. Turpeinen in Finland, mei 1977 (Golubev 1998b); CBS 7919, uit een witte berk (Betula tauschii) in Japan (Phaff et al. 1972) en CBS 9090, waarvan wordt verondersteld dat het dezelfde bron heeft als CBS 5905 (Fell et al. 2007). Deze stammen, en aanvullende isolaten, zijn onderzocht op basis van fylogenetische analyses (Fell et al. 2007, zie hieronder: “Systematiek”).

Systematiek: Xanthophyllomyces is een lid van de Cystofilobasidiales. Xanthophyllomyces heeft een onderscheidende geslachtelijke voortplantingscyclus onder de Cystofilobasidiales en onder de basidiomycetische gisten in het algemeen. De cyclus is homokaryotisch door paring van de cel en de knop. Een langgerekt holobasidium wordt geproduceerd en basidiospores worden terminaal geproduceerd op minuscule pinnen. Terminale vorming van basidiospores op holometabasidia is aanwezig in de Cystofilobasidiales (zie Cystofilobasidium capitatum). Daarentegen omvat de seksuele cyclus bij C. capitatum en andere leden van de Cystofilobasidiales de vorming van teliosporen, een kenmerk dat bij Xanthophyllomyces niet aanwezig is.

Ecologie: Xanthophyllomyces dendrorhous is geïsoleerd uit het sap van bomen in gematigde streken op het noordelijk en zuidelijk halfrond. De habitats omvatten de Japanse els (Alnus japonica) in Japan (Phaff et al. 1972), een rottende stronk van een berk (Betula sp.) in Finland (Golubev 1998b), de papierberk (Betula papyrifera) in Alaska, de witte berk (B. tauschii) in Japan (Phaff et al. 1972), de grijze berk (B. populifolia) in Wisconsin en Illinois, USA (verkregen door C.P. Kurtzman zoals gerapporteerd in Fell et al. 2007), zilverberk (B. pendula) in Rusland (Golubev 1995) en rottende stronken in Kaiserslautern, Duitsland (Weber et al. 2006), kornoelje (Cornus brachypoda) in Japan (Phaff et al. 1972), Japanse beuk (Fagus crenata) in Japan (Phaff et al. 1972) en de zuidelijke beuk (Nothofagus sp.) in Argentinië (Libkind et al. 2007). Deze laatste studie meldde het voorkomen van X. dendrorhous in associatie met vruchtlichamen van de ascomycet Cyttaria hariotti, die een parasiet is van de zuidelijke beuk. Onlangs werd door Weber et al. (2008) een Xanthophyllomyces-stam (MIC-CONC-2006-762) geïsoleerd uit een blad van de Tasmaanse blauwe gomboom (Eucalyptus globules) in het mediterrane klimaat in Concepción, Chili. De auteurs meldden dat de stam niet geclusterd was met het X. dendrorhous complex (inclusief Phaffia rhodozyma) in ITS en LSU rRNA fylogenetische analyses. De stam verschilde ook van andere stammen van Xanthophyllomyces door het vermogen om te groeien bij 28°C, in tegenstelling tot de typische maximumtemperatuur voor groei bij 25°C. De blauwe gom is inheems in Tasmanië en Australië en is over de hele wereld geëxporteerd vanwege zijn waarde voor de houtproductie. Een studie van Xanthophyllomyces-stammen die geassocieerd zijn met de wereldwijde verspreiding van de blauwe gomboom zou interessante ecologische en fylogenetische informatie kunnen opleveren.

Biotechnologie: Xanthophyllomyces dendrorhous heeft waarde in de biotechnologie als bron van astaxanthine, voornamelijk voor de maricultuur (Johnson en Schroeder 1995). De eerste studies naar zalmachtigen en diervoeding, die de werkzaamheid als bron van pigmentatie aantoonden, werden uitgevoerd met Phaffia rhodozyma (zie hoofdstuk 152). Vervolgens werden stammen van X. dendrorhous, die hoge concentraties astaxanthine produceren, ontwikkeld voor commerciële productie. De meeste mutanten werden geïsoleerd door willekeurige mutagenese en screening wegens het ontbreken van kennis over de genetica van de soort. Er werden methoden ontwikkeld voor de isolatie van mutanten met een hyperproduktie, zoals antimycine-agar selectie, de toepassing van flowcytometrie en celsortering (An et al. 1989, 1991), en condities voor verhoogde carotenoïd-synthese tijdens de groei (Gu et al. 1997, Schroeder and Johnson 1995, Schroeder et al. 1996).

Omdat de biosynthese van carotenoïden een van de opmerkelijke kenmerken van X. dendrorhous is, is deze in enig detail bestudeerd. Ongeveer 85% bestaat uit astaxanthine met geringe hoeveelheden β-caroteen en andere carotenoïden (Andrewes et al. 1976). Astaxanthine van P. rhodozyma, en vermoedelijk ook in X. dendrorhous, heeft de 3R, 3R’-configuratie, tegengesteld aan die van astaxanthine uit andere tot nu toe onderzochte bronnen (Andrewes and Starr 1976). Het gehalte aan carotenoïden en de hoeveelheid variëren aanzienlijk, wat afhangt van de stam en de kweekomstandigheden. De productie van carotenoïden wordt sterk gestimuleerd door zuurstof en afgeleide reactieve zuurstofsoorten (An et al. 1989, Johnson en Lewis 1979, Schroeder et al. 1985). Er zijn veel carotenoïd-vormende mutanten geïsoleerd, die verschillende kleuren groei op agar geven, waaronder wit, geel en diep oranjerood (Johnson 2003). De vorming van carotenoïden en de aantrekkelijke kleur van de gist vormen een uitstekend leermiddel in de gistbiologie (Weber en Davoli 2003).

De biosynthese van de verschillende carotenoïden in X. dendrorhous en P. rhodozyma wordt slecht begrepen. Er zijn genen geïsoleerd en gesequenced die leiden tot β-caroteen (Visser et al. 2003). In 1989 werd voorgesteld dat cytochroom P-450-enzymen verantwoordelijk waren voor de omzetting van β-caroteen in astaxanthine (An et al. 1989) en pas in 2006 werd een gen geïsoleerd dat codeert voor een cytochroom P-450 van de humane 3A-subfamilie met de vermeende functie van de omzetting van β-caroteen. Introductie van het gen in een β-caroteenmutant geïsoleerd door An et al. (1989) herstelde de biosynthese van astaxanthine (Ojima et al. 2006). Om volledig te bewijzen dat dit genproduct alleen verantwoordelijk is voor de omzetting van β-caroteen in astaxanthine zijn echter aanvullende studies nodig, waaronder de zuivering en karakterisering van het enzym (de enzymen). Tot op heden is de analyse van enzymen voor de biosynthese van carotenoïden nog niet uitgevoerd, wat voornamelijk te wijten is aan hun lipofiele aard en membraanlocatie, het ontbreken van commercieel beschikbare carotenoïdensubstraten in de biosynthetische route en de waarschijnlijkheid van trage katalytische activiteit.

In andere studies werd gemeld dat X. dendrorhous een trisaccharide, neokestose, produceert met potentiële probiotische activiteit (Kritzinger et al. 2003). Onlangs werd een α-glucosidase met amylolytische activiteit geïsoleerd uit X. dendrorhous (Marín et al. 2006), wat het vermogen van de gist om op maltose te groeien ondersteunt.

De primaire habitat van X. dendrorhous en P. rhodozyma wordt beschouwd als slijmstromen van loofbomen op noordelijke breedtegraden en op grote hoogten. In deze habitat is de functie van carotenoïden in de gist waarschijnlijk bescherming te bieden tegen door licht gegenereerde schimmelwerende stoffen in de boomflux, zoals reactieve zuurstofsoorten waaronder singletzuurstof, waterstofperoxide en ozon (Schroeder en Johnson 1995). Blootstelling aan licht beïnvloedt ook de groei en de vorming van carotenoïden in X. dendrorhous (An en Johnson 1990). Schroeder en Johnson (1993a,b, 1995) toonden aan dat een primaire fysiologische functie van carotenoïden bij X. dendrorhous erin bestaat bescherming te bieden tegen sterfte door reactieve zuurstofsoorten. X. dendrorhous wordt vaak geïsoleerd uit slijmzwammen of loofbomen of in associatie met andere schimmels, en men zou kunnen verwachten dat er interacties zijn tussen de schimmels. Echavarri-Erasun en Johnson (2004) ontdekten dat groei en astaxanthinevorming bij X. dendrorhous werden beïnvloed door de ascomyciet Epicoccum nigrum en celvrije extracten van de schimmel. In een dergelijk voorbeeld van schimmelinteractie werd gemeld dat X. dendrorhous-stammen onder laboratoriumomstandigheden ochratoxine afbraken (Péteri et al. 2007), een toxine dat wordt geproduceerd door Aspergillus- en Penicillium-soorten. Verdere studies van de ecologie van X. dendrorhous en interacties binnen microbiële consortia zouden leiden tot meer inzicht in de biologie van de gist.

Landbouw en voeding: Astaxanthine wordt commercieel geproduceerd als voedingssupplement, voornamelijk voor de aquacultuur van zalmachtigen. Het pigment kan uiteindelijk worden gebruikt in andere voedermarkten voor pluimveevlees, kippeneieren, schaaldieren en exotische vogels zoals flamingo’s. Astaxanthine is een fijne chemische stof die van oudsher wordt geproduceerd door middel van totale chemische synthese, maar het proces vereist verschillende stappen en resulteert in een mengsel van vier chirale isovormen (Johnson en Schroeder 1995). De natuurlijke vormen van astaxanthine bestaan uit slechts één chirale isovorm, hetzij 3S, 3S’- of 3R, 3R’. Natuurlijke bronnen die zijn onderzocht voor gebruik in diervoeders en levensmiddelen zijn onder andere de gist X. dendrorhous, de microalg Haematococcus pluvialis, thraustochytriden en extracten van krill en garnalen, maar extracten van krill en schaaldieren zijn economisch niet haalbaar vanwege hun lage concentraties astaxanthine.

Na de identificatie van astaxanthine in Phaffia rhodozyma door Andrewes et al. (1976), begonnen bepaalde Amerikaanse, Deense, Nederlandse, Zwitserse en Japanse bedrijven met de ontwikkeling van stammen voor industrieel gebruik. In de industrie werden stammen van X. dendrorhous ontwikkeld die 5-15 mg/kg droge massa van de gist produceren. Haematococcus pluvialis is ook een commerciële natuurlijke bron van astaxanthine, en onder gespecialiseerde kweekomstandigheden produceert de alg grote hoeveelheden astaxanthine (10-20 mg/g) in de cysten. De kweek van de alg vereist gespecialiseerde en langdurige kweekomstandigheden en de vrijmaking van astaxanthine uit de cysten. X. dendrorhous heeft het voordeel van snelle groei en hoge biomassaniveaus in de fermentatiecultuur (100-150 g gist per liter). De gist moet echter bij lage temperaturen worden gekweekt (≤25°C) en, als bijkomend probleem voor gebruik als voedermiddel, moet de dikke celwand van de gist worden bewerkt door mechanische breuk, enzymatische spijsvertering of autolyse om de carotenoïden te kunnen vrijmaken.

Clinisch belang: De gist groeit niet boven 25°C en wordt veilig geacht voor menselijke consumptie. Astaxanthine heeft krachtige antioxidatieve eigenschappen, en het wordt op de markt gebracht als een voedingssupplement dat degeneratieve ziekten en veroudering zou kunnen voorkomen (Hussein et al. 2006).