工艺优化和转录组分析揭示了甘蔗叶片中基因表达与琥珀酸产量之间存在反比关系

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Process optimization and transcriptomic profiling reveal an inverse relationship between gene expression and succinic acid production from sugarcane leaves

琥珀酸生产通过优化解偶糖菌TISTR 1994的MgCO3浓度（52.84g/L）、糖浓度（49.68g/L）和pH（7.94）显著提升，产量达18.87g/L，糖利用率95.3%。转录组分析显示非优化条件下关键TCA循环基因（如malate dehydrogenase）高表达却产量低，提示环境因素可能通过转录后调控影响代谢产出。

　　

摘要

琥珀酸是一种宝贵的平台化学品，在食品、制药和生物塑料行业中得到广泛应用。本研究结合工艺优化和转录组分析，利用Actinobacillus succinogenes TISTR 1994菌株探究了从甘蔗叶水解物（SLH）中生产琥珀酸的途径，并深入了解了从SLH衍生的糖类合成琥珀酸的分子机制。系统优化表明，MgCO₃浓度、糖浓度和初始pH值是影响琥珀酸产量的关键因素。在最佳条件下（MgCO₃浓度为52.84 g/L、糖浓度为49.68 g/L、pH值为7.94），琥珀酸产量达到18.87 ± 0.42 g/L，产率为0.59 g/g，生产速率为0.39 g/L/h，糖利用效率为95.3%，而在非优化条件下这一数值仅为76.0%。全基因组转录组分析显示，在指数生长中期有1075个基因的表达发生了变化。值得注意的是，在非优化条件下，关键的还原性三羧酸（TCA）循环相关基因（如苹果酸脱氢酶、延胡索酸还原酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）的表达显著增强（分别增加了4.84倍、2.00倍和1.55倍），但琥珀酸的产量却较低。这种转录水平与代谢产物之间的负相关关系表明，环境因素可能通过转录以外的机制影响发酵性能。相反，优化的环境条件（尤其是MgCO₃浓度和pH值）通过提供适宜的生化环境来促进琥珀酸的合成，包括维持酶功能的稳定pH值以及足够的CO₂/HCO₃?浓度以支持羧基化反应。这些发现表明，工艺优化能够提高木质纤维素生物质中琥珀酸的产量，并提示仅依靠转录水平可能无法充分预测发酵性能，暗示了转录后调控的潜在作用。