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Ziel dieser Arbeit war es erstmals durch eine Kombination aus chemischer Mutagenese und gezielter genetischer Modifikation (hier: „metabolic engineering“) einen Phaffia-Stamm herzustellen, welcher über die Mutagenese hinaus über eine weiter verstärkte Astaxanthin-Synthese verfügt.
Die von „DSM Nutritional Products“ bereitgestellten chemischen Mutanten wurden analysiert und über einen Selektionsprozess auf Pigmentstabilität und Wachstum hin optimiert, da die Stämme aus cryogenisierter Dauerkultur starke Pigmentinstabilitäten und ein verzögertes Wachstum aufwiesen.
Über eine exploratorische Phase wurde die Carotinoidsynthese analysiert und festgestellt, dass in den Mutanten keine Einzelreaktionen betroffen sind, welche für die Heraufregulierung der Carotinoidsynthese in den Mutanten verantwortlich sind. Hierbei wurden Limitierungen identifiziert und diese durch Transformation von Expressionsplasmiden mit geeigneten Genen aufgehoben, um damit eine noch effizientere Metabolisierung von Astaxanthin-Vorstufen hin zu Astaxanthin zu erreichen. Eine Überexpression der Phytoensynthase/Lycopinzyklase crtYB resultierte in einem gesteigerten Carotinoidgehalt bei gleichbleibendem Astaxanthin- Anteil. Durch eine zweite Transformation mit einer Expressionskassette für die Astaxanthin-Synthase asy konnte der Carotinoidgehalt weiter gesteigert und zusätzlich eine Limitierung der Metabolisierung von Astaxanthin-Vorstufen behoben werden, sodass die Transformante nahezu alle Intermediate der Astaxanthinsynthese zu Astaxanthin metabolisieren konnte (Gassel et al. 2013). Es konnte gezeigt werden, dass auch in den Mutanten, aus Experimenten mit dem Wildtyp bekannte, Limitierungen identifiziert und ausgeglichen werden konnten.
Background: Xanthophyllomyces dendrorhous is a basal agaricomycete with uncertain taxonomic placement, known for its unique ability to produce astaxanthin, a carotenoid with antioxidant properties. It was the aim of this study to elucidate the organization of its CoA-derived pathways and to use the genomic information of X. dendrorhous for a phylogenomic investigation of the Basidiomycota.
Results: The genome assembly of a haploid strain of Xanthophyllomyces dendrorhous revealed a genome of 19.50 Megabases with 6385 protein coding genes. Phylogenetic analyses were conducted including 48 fungal genomes. These revealed Ustilaginomycotina and Agaricomycotina as sister groups. In the latter a well-supported sister-group relationship of two major orders, Polyporales and Russulales, was inferred. Wallemia occupies a basal position within the Agaricomycotina and X. dendrorhous represents the basal lineage of the Tremellomycetes, highlighting that the typical tremelloid parenthesomes have either convergently evolved in Wallemia and the Tremellomycetes, or were lost in the Cystofilobasidiales lineage. A detailed characterization of the CoA-related pathways was done and all genes for fatty acid, sterol and carotenoid synthesis have been assigned.
Conclusions: The current study ascertains that Wallemia with tremelloid parenthesomes is the most basal agaricomycotinous lineage and that Cystofilobasidiales without tremelloid parenthesomes are deeply rooted within Tremellomycetes, suggesting that parenthesomes at septal pores might be the core synapomorphy for the Agaricomycotina. Apart from evolutionary insights the genome sequence of X. dendrorhous will facilitate genetic pathway engineering for optimized astaxanthin or oxidative alcohol production.