基于转录组学和蛋白质组学解析氯化钠对酿酒酵母镉胁迫的保护作用

As the problem of cadmium pollution in food is becoming more and more serious and the removal of heavy metals via growing microorganisms has received a great deal of attention. On the basis of the previous research, the moderately halotolerant Saccharomyces cerevisiae is chosen as the research object in this study. The growth traits of S. cerevisiae under cadmium stress is studied firstly. Then, S. cerevisiae under cadmium and NaCl-cadmium stress is analyzed by transcriptomics and proteomics. The technology of RNA-seq and i-TRAQ is used in transcriptomics and proteomics respectively, and qRT-PCR and Western blot are used for validation. The combined transcriptomic and proteomics approach is used to explore and verify the differentially expressed genes and proteins, which can parse the protective effect of NaCl on S. cerevisiae under cadmium stress at multi-level and multi-angle. The results of this study can provide theoretical basis for the melioration of cadmium removal microorganisms, enrich the theory of applying growing microorganisms for cadmium removal, instruct the cadmium removal practice and provide references for the research and application of cross-resistance in other tolerant microorganisms.

镉污染已成为食品安全的重要问题之一，微生物法脱镉已成为国际上研究的热点。微生物具有一定的镉抗性和吸附能力是应用该方法的必要前提。本文在前期研究工作的基础上，以具有一定耐盐性的酿酒酵母为研究对象，先研究氯化钠对酿酒酵母镉胁迫时生长特性的影响，再获取该酵母分别在镉胁迫和氯化钠-镉胁迫培养的样品，采用转录组学RNA-seq技术，找出关键的差异显著表达基因，用qRT-PCR验证；采用蛋白质组学同位素标记相对定量技术（i-TRAQ)，找出关键的差异显著表达蛋白，用Western blot验证；联合转录组学和蛋白质组学的研究结果，探寻关键的差异表达基因/蛋白，并进行生物学验证，以期从多层次、多角度解析氯化钠对酿酒酵母镉胁迫的保护作用。本项目的研究成果将为脱镉微生物的改造提供理论依据，丰富微生物脱除重金属的理论研究和应用，指导脱镉技术的实践过程，还为其他耐性微生物的交叉抗性研究与应用提供参考。

本项目联合转录组学和蛋白质组学探寻氯化钠对酿酒酵母镉胁迫保护作用的分子机理。具体如下：.（1）比较5株酿酒酵母，考察其耐盐性、镉耐受性和镉吸附能力，最终选定镉脱除能力S.cerevisiae CICC32816作为后续研究菌株。采用分批培养方式，确定S.cerevisiae CICC32816最适胁迫处理条件为NaCl预培养条件为80 g/L时，镉浓度为6 mg/L，镉脱除率为61.3%。.（2）利用转录组学方法解析氯化钠对S.cerevisiae CICC32816镉胁迫保护的差异表达基因。经过盐预培养后，S.cerevisiae CICC32816关键上调差异表达基因包括（以基因ID号表示）：编码吲哚丙酮酸脱羧酶852978、850733；磷酸甘油醛脱氢酶853395、853465、853106；丙酮酸激酶851193；硫酸透性酶852597；磷酸甘油酸酯变位酶853705；磷酸丙酮酸水合酶856579、853169；转酮醇酶2 852414（蛋白ID是P33315）；磷酸甘油酸激酶850370；乙醇脱氢酶854068；磷酸葡萄糖酸脱氢酶853172；过氧化氢酶852979等。.（3）采用蛋白质组学方法探明氯化钠对S.cerevisiae CICC32816镉胁迫保护的差异表达蛋白。上调的差异表达蛋白有40个（以蛋白ID号表示），包括乙醛酸脱氢酶的B3LM56；起过氧化氢酶作用的B5VJ32；转酮醇酶2 P33315（基因ID是852414）；甘油醛-3-磷酸脱氢酶B5VFP2和B3LQ59；参与甘油代谢过程的二羟基丙酮激酶A6ZLZ5等等。下调的差异表达蛋白有45个，主要集中在硫胺素的代谢过程和含硫胺素的化合物的生物合成过程中，包括E7QF51，E7M020，P41835，E7Q8F8等。.（4）联合S.cerevisiae CICC32816转录组学和蛋白质组学的分析结果，共同富集关联到两个蛋白，分别是端粒加帽蛋白P38804和转酮醇酶2（基因ID是852414，蛋白ID是 P33315）后者是戊糖磷酸途径重要的酶。构建转酮醇酶2的基因TKL2过量表达的菌株，验证了该基因的过表达有利于提高酿酒酵母的镉抗性。.本项目的研究结果深度解析氯化钠对酿酒酵母镉胁迫所起保护作用的分子机理，为脱镉微生物的改造和应用提供基础，为其他耐性微生物的交叉胁迫研究与应用提供参考。