Basidiosporer

134.1 Xanthophyllomyces dendrorhous Golubev (1995)

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

Växt på jästmorfologisk agar: Efter en månad i 18°C är streckkulturen orange till laxröd, nästan slät, glansig till halvt matt, mjuk och med hela eller böljande marginaler. Sfäriska klamydosporer med brytbara korn kan bildas.

Skyddsodlingar på majsmjölsagar: Efter 10 dagar vid 18°C kan rudimentära pseudohyphae förekomma. Inga riktiga hyfer bildas. Ballistoconidier observeras inte.

CoQ: 10 (Sugiyama et al. 1985).

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

Cellkolhydrater: Mannos, xylos, glukos, galaktos och rhamnos förekommer i hydrolysat av hela celler (Johnson et al. 1978).

Typstam: CBS 7918.

Orsprung för de studerade stammarna: Uppgifterna i standardbeskrivningen ovan har sammanställts från typstammen CBS 7918, som isolerades av Golubev (1995) från flödet från en silverbjörk (Betula pendula) i Moskvaregionen i Ryssland och från CBS:s webbplats för stammarna CBS 5905, som är typstammen av Phaffia rhodozyma, isolerad från en japansk bok (Fagus crenata) i Japan (Phaff et al. 1972), CBS 5908, från en japansk al (Alnus japonica) i Japan (Phaff et al. 1972), CBS 6938, från en stubbe av Betula sp. i Finland insamlad av O. Turpeinen i Finland i maj 1977 (Golubev 1998b), CBS 7919, från en vitbjörk (Betula tauschii) i Japan (Phaff et al. 1972) och CBS 9090, som antas ha samma källa som CBS 5905 (Fell et al. 2007). Dessa stammar, och ytterligare isolat, undersöktes utifrån fylogenetiska analyser (Fell et al. 2007, se nedan: ”Systematik”).

Systematik: Xanthophyllomyces är en medlem av Cystofilobasidiales. Xanthophyllomyces har en distinkt sexuell reproduktionscykel bland Cystofilobasidiales och bland de basidiomycetösa jästsvamparna i allmänhet. Cykeln är homokaryotisk genom parning av cell och knopp. Ett långsträckt holobasidium produceras och basidiosporer produceras terminalt på små pinnar. Terminal bildning av basidiosporer på holometabasidier förekommer hos Cystofilobasidiales (se Cystofilobasidium capitatum). Däremot omfattar sexualcykeln hos C. capitatum, och andra medlemmar av Cystofilobasidiales, bildandet av teliosporer, en egenskap som inte finns hos Xanthophyllomyces.

Ekologi: Xanthophyllomyces dendrorhous har isolerats från saft från träd i tempererade områden på norra och södra halvklotet. Habitaten inkluderar japansk al (Alnus japonica) i Japan (Phaff et al. 1972), en ruttnande stubbe av en björk (Betula sp.) i Finland (Golubev 1998b), pappersbjörk (Betula papyrifera) i Alaska, vitbjörk (B. tauschii) i Japan (Phaff et al. 1972), gråbjörk (B. populifolia) i Wisconsin och Illinois, USA (erhållen av C.P. Kurtzman som rapporteras i Fell et al. 2007), silverbjörk (B. pendula) i Ryssland (Golubev 1995) och ruttnande stubbar i Kaiserslautern, Tyskland (Weber et al. 2006), kornell (Cornus brachypoda) i Japan (Phaff et al. 1972), japansk bok (Fagus crenata) i Japan (Phaff et al. 1972) och sydlig bok (Nothofagus sp.) i Argentina (Libkind et al. 2007). I den sistnämnda studien rapporterades förekomsten av X. dendrorhous i samband med fruktkroppar från askomyceten Cyttaria hariotti, som är en parasit på den södra boken. Nyligen isolerades en Xanthophyllomyces-stam (MIC-CONC-2006-762) av Weber et al. (2008) från ett blad av det tasmanska blå gummiträdet (Eucalyptus globules) i Medelhavsklimatet i Concepción, Chile. Författarna rapporterade att stammen inte samlades med X. dendrorhous-komplexet (inklusive Phaffia rhodozyma) i ITS- och LSU rRNA-fylogenetiska analyser. Stammen skilde sig också från andra stammar av Xanthophyllomyces genom förmågan att växa vid 28 °C, i motsats till den typiska maximala temperaturen för tillväxt vid 25 °C. Den blå gumman är infödd på Tasmanien och i Australien och har exporterats över hela världen på grund av sitt värde för timmerproduktion. En studie av Xanthophyllomyces-stammar som är förknippade med den globala spridningen av det blå gummiträdet skulle kunna ge intressant ekologisk och fylogenetisk information.

Bioteknik: Xanthophyllomyces dendrorhous har ett värde inom bioteknik som en källa till astaxanthin, främst för marinodling (Johnson och Schroeder 1995). De tidiga studierna på laxfiskar och djurfoder, som visade på effektiviteten som en källa till pigmentering, utfördes med Phaffia rhodozyma (se kapitel 152). Därefter utvecklades stammar av X. dendrorhous, som producerar höga halter av astaxanthin, för kommersiell produktion. De flesta mutanter isolerades genom slumpmässig mutagenes och screening på grund av avsaknaden av kunskap om artens genetik. Metoder utvecklades för att isolera mutanter med hög produktion, t.ex. antimycin-agar-selektion, tillämpning av flödescytometri och cellsortering (An et al. 1989, 1991) och villkor för ökad karotenoidsyntes under tillväxt (Gu et al. 1997, Schroeder och Johnson 1995, Schroeder et al. 1996).

Då karotenoidbiosyntesen är en av de framstående egenskaperna hos X. dendrorhous har den studerats i viss detalj. Ungefär 85 % är astaxantin med mindre mängder β-karoten och andra karotenoider (Andrewes et al. 1976). Astaxantin från P. rhodozyma, och förmodligen i X. dendrorhous, har 3R, 3R’-konfigurationen, motsatt den för astaxantin från andra källor som hittills undersökts (Andrewes och Starr 1976). Karotenoidinnehållet och kvantiteten varierar avsevärt, vilket beror på stammen och odlingsförhållandena. Produktionen av karotenoider stimuleras tydligt av syre och derivat av reaktiva syrearter (An et al. 1989, Johnson och Lewis 1979, Schroeder et al. 1985). Många karotenoidbildande mutanter har isolerats, som ger olika färger på tillväxten på agar, bland annat vit, gul och djupt orangeröd (Johnson 2003). Bildandet av karotenoider och den attraktiva jästfärgen ger ett utmärkt undervisningsverktyg i jästbiologi (Weber och Davoli 2003).

Biosyntesen av de olika karotenoiderna i X. dendrorhous och P. rhodozyma är dåligt känd. Gener har isolerats och sekvenserats som leder till β-karoten (Visser et al. 2003). År 1989 föreslogs det att cytokrom P-450-enzymer var ansvariga för omvandlingen av β-karoten till astaxantin (An et al. 1989), och det var inte förrän 2006 som en gen som kodar för ett cytokrom P-450 i den mänskliga 3A-subfamiljen isolerades med den förmodade funktionen att omvandla β-karoten. Introduktion av genen i en β-karotenmutant som isolerades av An et al. (1989) återställde astaxantinbiosyntesen (Ojima et al. 2006). Fullständigt bevis för att denna genprodukt är ensam ansvarig för β-karotens omvandling till astaxantin kommer dock att kräva ytterligare studier, inklusive rening och karakterisering av enzymet/enzymerna. Hittills har analysen av enzymer för karotenoidbiosyntes inte genomförts, vilket främst beror på deras lipofila natur och membranplacering, bristen på kommersiellt tillgängliga karotenoidsubstrat i biosyntesvägen och sannolikheten för långsam katalytisk aktivitet.

I andra studier rapporterades X. dendrorhous producera en trisackarid, neokestos, med potentiell probiotisk aktivitet (Kritzinger et al. 2003). Nyligen isolerades ett α-glukosidas med amylolytisk aktivitet från X. dendrorhous (Marín et al. 2006), vilket stöder jästens förmåga att växa på maltos.

Den primära livsmiljön för X. dendrorhous och P. rhodozyma har ansetts vara slemflöden från lövträd på nordliga latituder och på höga höjder. I denna livsmiljö är karotenoidernas funktion i jäst troligen att ge skydd mot fotogenererade svampdödande ämnen i trädflödet, såsom reaktiva syrearter inklusive singulettsyre, väteperoxid och ozon (Schroeder och Johnson 1995). Exponering för ljus påverkar också tillväxten och karotenoidbildningen i X. dendrorhous (An och Johnson 1990). Schroeder och Johnson (1993a,b, 1995) visade att en primär fysiologisk funktion hos karotenoider i X. dendrorhous är att skydda mot att dödas av reaktiva syrearter. X. dendrorhous isoleras ofta från slemflöden eller lövträd eller i förening med andra svampar, och man kan förvänta sig att det finns interaktioner mellan svamparna. Echavarri-Erasun och Johnson (2004) fann att tillväxten och astaxantinbildningen i X. dendrorhous påverkades av ascomyceten Epicoccum nigrum och cellfria extrakt från svampen. I ett sådant exempel på svampinteraktion rapporterades att X. dendrorhous-stammar under laboratorieförhållanden bryter ner ochratoxin (Péteri et al. 2007), som är ett toxin som produceras av arter av Aspergillus och Penicillium. Ytterligare studier av X. dendrorhous ekologi och interaktioner inom mikrobiella konsortier skulle leda till större insikter i jästens biologi.

Lantbruk och livsmedel: Astaxantin produceras kommersiellt som fodertillskott, främst för vattenbruk av laxfiskar. Pigmentet kan så småningom komma att användas på andra fodermarknader för fjäderfäkött, kycklingägg, kräftdjur och exotiska fåglar, t.ex. flamingos. Astaxantin är en fin kemikalie som traditionellt har framställts genom total kemisk syntes, men processen kräver flera steg och resulterar i en blandning av fyra chirala isoformer (Johnson och Schroeder 1995). De naturliga formerna av astaxantin består av endast en chiral isoform, antingen 3S, 3S’- eller 3R, 3R’. Naturliga källor som undersökts för användning i foder och livsmedel inkluderar jästen X. dendrorhous, mikroalgen Haematococcus pluvialis, thraustochytrider och extrakt av krill och räkor, men extrakt av krill och kräftdjur är inte ekonomiskt genomförbara på grund av deras låga koncentrationer av astaxantin.

När Andrewes et al. (1976) identifierade astaxantin i Phaffia rhodozyma började vissa amerikanska, danska, nederländska, schweiziska och japanska företag utveckla stammar för industriellt bruk. Stammar av X. dendrorhous har utvecklats inom industrin som producerar 5-15 mg/kg jästtorkmassa. Haematococcus pluvialis är också en kommersiell naturlig källa till astaxantin, och under specialiserade odlingsförhållanden producerar algen stora mängder astaxantin (10-20 mg/g) i cystorna. Odling av algen kräver specialiserade och långvariga odlingsförhållanden och frisättning av astaxantin från cystorna. X. dendrorhous har fördelen av snabb tillväxt och höga nivåer av biomassa i jäsningskultur (100-150 g jäst per liter). Jästen måste dock odlas vid låga temperaturer (≤25 °C) och, som ett ytterligare problem för användning som foderingrediens, måste jästens tjocka cellvägg bearbetas genom mekanisk fraktur, enzymatisk nedbrytning eller autolys för att möjliggöra frisättning av karotenoiderna.

Klinisk betydelse: Jästen växer inte över 25 °C och anses vara säker för mänsklig konsumtion. Astaxantin har starka antioxidativa egenskaper och marknadsförs som ett kosttillskott som kan förebygga degenerativa sjukdomar och åldrande (Hussein et al. 2006)

.