原花色素提高酿酒酵母逆境耐受力关键基因的识别及其作用机制的研究

Yeast cells are generally affected by multiple stress factors during food fermentation process, resulting in decreased fermentation activity of the strain and low quality products. Proanthocyanidins as an effective antioxidant, in wine making process, could significantly improve the growth and fermentation performance of the yeast. Metabonomics research methods will be employed in this project to study the effect of proanthocyanidins on cell metabolic activity by identifying the proanthocyanidins-mediated key metabolites in yeast cells; meanwhile, the important genes involved in the protection effect of proanthocyanidins will be identified using the transcriptome sequencing technology (RNA-Seq). Combined with bioinformatics analysis, gene function and key metabolic pathways of the identified genes could be further explored. This project provided a new systemic insight to study the mechanisms in response to the environmental stresses from metabolic and molecular levels. It will help understand the molecular mechanisms of yeast cells to adapt to the external environments, and provide a theoretical basis for the selection and improvement of the industrial yeast strains.

由酿酒酵母主导的食品发酵生产过程中，酵母细胞普遍受到多种胁迫因子的影响，造成菌株活力下降，影响产品品质。研究发现，原花色素作为一种高效的抗氧化物质，在葡萄酒酿造过程中，能够显著提高酵母菌的生长及发酵性能。本项目将采用代谢组学研究方法，利用NMR等高通量检测手段研究原花色素对细胞代谢活动的影响，找到原花色素对酵母细胞其保护作用的标志性代谢物；并利用转录组测序技术对保护效应相关基因进行识别，结合生物信息学分析获得关键基因的功能及参与的代谢途径，从代谢水平和分子水平系统探究原花色素对提高酵母细胞抵抗外界环境胁迫能力的作用机制，本研究的成果将有助于深入了解酵母细胞适应外界环境的分子机制，为酿酒酵母优良菌株的筛选和改良提供理论依据。

由酿酒酵母主导的食品发酵生产过程中，酵母细胞普遍受到多种胁迫因子的影响，造成菌株活力下降，影响产品品质。研究发现，原花色素作为一种高效的抗氧化物质，前期研究表明在葡萄酒酿造过程中，能够显著提高酵母菌的生长及发酵性能。本项目采用了代谢组学研究方法，利用LC–MS高通量检测手段研究原花色素对细胞代谢活动的影响，找到原花色素对酵母细胞起保护作用的标志性代谢物；并利用转录组测序技术对保护效应相关基因进行识别，结合生物信息学分析获得关键基因的功能及参与的代谢途径。结果表明通过转录组高通量测序，三个比较组中(A vs B, A vs C, B vs C)，分别检测到389, 1737 和1566个差异基因。GO和KEGG富集分析表明三个对比组中4条代谢通路即“氨酰tRNA合成”、“维生素B6”、“氨基酸合成”和“硫胺素代谢”表现出明显差异。另外，利用RT-qPCR对关键差异基因进行验证，结果与测序结果一致。同时，利用LC–MS方法检测对比不同发酵体系中的发酵液和细胞中的差异代谢物。通过主成分分析发现不同发酵体系中代谢产物的差异主要是氨基酸和维生素。结果说明原花色素影响了氨基酸合成途径中关键基因，提高酵母细胞代谢氨基酸的产生速度和含量，而氨酰基tRNA合成途径中基因的改变可能会影响蛋白质的合成。同时，原花色素影响了维生素代谢合成途径中的关键基因，提高维生素的代谢量。最终，氨基酸和维生素含量的提高会保护细胞进而提高酵母细胞的代谢。本项目从代谢水平和分子水平系统解释了原花色素对提高酵母细胞抵抗外界环境胁迫能力的作用机制，本研究的成果将有助于深入了解酵母细胞适应外界环境的分子机制，为酿酒酵母优良菌株的筛选和改良提供理论依据。