以纤维素类生物质为原料的工业燃料乙醇生产用酿酒酵母的育种研究

利用生物质原料生产燃料乙醇是解决目前运输燃油供给矛盾的重要手段，按照 "不与人争粮，不与粮争地"的原则，纤维素类生物质将成为燃料乙醇生产的主要原料。由于纤维素原料的特殊性，合适的酵母菌株已成为纤维素原料乙醇生产的一个关键因素。具有同时发酵六碳糖和五碳糖，具有较强抗逆性，同时具有理想的发酵效率，适合工业粗放型生产的菌株，是纤维素原料工业化乙醇生产所必须具备的。本项目从性能优异的工业酿酒酵母出发，通过导入外源木糖代谢关键基因，赋予菌株利用木糖的能力；通过优化导入基因的辅酶供需平衡及对磷酸戊糖途径关键基因的调控，获取对木糖具有优良发酵速率的菌株；通过驯化培养改善菌株对纤维素原料糖化液中多种发酵抑制物的耐受性；最终获得具有高效木糖发酵能力，抗逆性明显改善，适用于纤维素原料乙醇工业化生产用的酵母菌株。本项目的成功实施将会推进和加快纤维素原料的燃料乙醇生产技术的实用化进程，具有重要的经济和社会效益。

生物燃料乙醇是清洁生物能源，可以替代汽油作为运输燃料使用，是重点发展的一种可再生清洁能源。基于 “不与人争粮，不与粮争地”的原则，农业秸秆等纤维素类废弃生物质将成为燃料乙醇生产的主要原料。由于纤维素原料组成和结构的特殊性，合适的酵母菌株是纤维素原料燃料乙醇生产的一个关键制约因素。具有同时发酵六碳糖和五碳糖，具有较强抗逆性，同时具有理想的发酵效率，适合工业粗放型生产的菌株，是纤维素原料工业化燃料乙醇生产所必须具备的。本项目以性能优异的工业酿酒酵母为出发菌株，借助基因工程、进化工程、人工诱变、比较转录组等手段，全面系统的进行了酿酒酵母木糖代谢和抑制物耐受相关研究。通过导入外源木糖代谢关键基因，分别构建了木糖还原酶-木糖醇脱氢酶（XR-XDH）途径和木糖异构酶（XI）途径的木糖发酵菌株；解析了两个不同木糖代谢途径对菌株整体代谢的影响差异，为进一步的基因工程改造提供了参考；通过进化工程分别对具有XR-XDH途径和XI途径的菌株的木糖代谢能力进行了提升，同时从转录组水平对进化机制进行了详细解析，揭示了具有不同木糖代谢途径菌株的木糖代谢速率改善的分子机制，为基因工程育种提供了基础；调节XR基因的辅酶亲和性和XR、XDH、和木酮糖激酶（XKS）基因的相对比例，显著提升了XR-XDH途径菌株的乙醇收率；系统研究了木糖发酵菌株对小分子有机酸、呋喃类和酚类抑制物的响应规律；研究了磷酸戊糖途径关键基因TAL1高表达和PHO13基因敲除对菌株的木糖代谢能力和抑制物耐受能力提升的影响；研究了自然驯化和物理诱变叠加驯化手段对提升木糖代谢菌株的抑制物耐受能力的适用性；系统评价了木糖发酵菌株在各种培养条件下的发酵性能，结果表明不论是XR-XDH途径菌株还是XI途径菌株，和同类菌株相比，都具有优良的木糖发酵能力（木糖代谢速率和乙醇收率）和抑制物耐受能力，适用于纤维素原料乙醇工业化生产，具有很好的工业应用前景。综上所述，本研究不仅在木糖代谢分子机制解析方面还是在构建实用型菌株方面均取得较好成果，处于国内领先水平。本研究使用的出发菌株是工业菌株，所有的研究成果都将对同类工业酵母的育种改造具有重要的指导意义。