基因组变构改进酵母胁迫耐性等复杂表型的分子机理

The environmental stresses, such as heat, ethanol, and the inhibitors from the pretreated cellulose materials, are main limiting factors encountered by yeast during industrial ethanol fermentation. Six Saccharomyces cerevisiae mutants (ZCM1-6) with imrpoved tolerance to multiple stresses had been obtained through genomic reconstruction of the industrial S. cerevisiae strain ZTW1 in our previous work,but the molecular mechanisms underlying the changed tolerance in the selected mutants were unclear. In this research project, we plane to reveal the genomic variations in the genomes of the mutants and determine how these variations affect the diverse tolerance between ZTW1 and ZCM1-6. Our studies include: (1) whole genome sequencing to disclose the genomic variations in the genomes of mutants compared to that of ZTW1; (2)genetic manipulations to verify the physiological and phenotypic effects of the specified genomic variations, and (3) transcriptome, proteom and physiological factors analysis under both normal and stressful conditions to identify the key genes or metabolic pathways contributing to the phenotypic variations between ZTW1 and ZCM1-6. The implement of this project would not only enrich our knowledge about tolerance mechanisms in yeast, but also guide development of novel yeast strains and other microorganisms used in industrial productions.

高温、乙醇和纤维素原料预处理产生的乙酸等抑制物是限制酿酒酵母乙醇发酵效率的主要制约因素。申请者经基因组变构新方法，获得6株对上述胁迫耐性显著提高并高产乙醇工业用酵母突变株（ZCM1-6）。本项目拟用多种组学技术研究突变株基因组变异及其规律，揭示酵母提高胁迫耐受性与高产乙醇机理。主要研究内容：（1）基因组比较分析突变株ZCM1-6相对于亲株ZTW1的基因组变异；（2）分子遗传操作验证主要特定基因变异的抗逆高产表型效应；和（3）结合转录组、蛋白组和关键生化因子（代谢产物）测定，分析ZCM1-6和ZTW1表型差异关键决定基因及其表达调控机理，在基因组范围上构建与抗逆高产性能提升关联的代谢网络。课题目标实现，不仅在理论上可加深对细胞有益人工进化机理的认识，同时对构建抗逆高产酵母菌株、乃至对其他生物化工、医药、食品、环保等领域广泛应用的微生物菌株的抗逆高产性能提升、促进多领域发展具重要理论指导意义。

在生物质可再生能源中，率先实现大规模生产应用的是燃料乙醇，目前主要是通过酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵转化淀粉和糖类原料获得。同时，酿酒酵母也是生物医学研究中重要的模式生物。不同分离来源的酿酒酵母菌株在表型（环境胁迫耐性与乙醇发酵性能等）上和基因组结构上差异显著，但基因组结构变异的发生机制以及如何在分子水平影响菌株的表型还有待阐释。项目开展期间，课题组开展了如下研究：（1）解析了我国燃料乙醇工业上多株具有重要应用的酿酒酵母菌株及纤维素水解液耐性突变株的基因组信息；（2）发展了多种有效改进酵母菌株胁迫耐性与发酵性能的育种策略；（3）通过在特定突变株与出发菌株的比较基因组学研究，在全局水平阐释了大范围基因组结构变异对细胞中基因表达与代谢的影响；以及（4）在全基因组水平阐释了可能诱导大范围基因组桔构变异发生的遗传机制。课题组所取得的研究结果与数据不仅对创新酿酒酵母的育种技术、选育对纤维素水解液中抑制物耐性强、乙醇发酵性能高的优良工业菌株具有重要的理论指导意义，研究中也获得了一系列具工业应用潜力的酿酒酵母菌株。同时，由于大部分的肿瘤细胞基因组都存在不稳定现象，本项目中开展的关于酵母基因组如何在复制压力下发生大范围的变异的研究结果对阐明肿瘤基因组不稳定的机制和生物基因组进化的分子遗传机理也具有较大的参考价值。此外，在本项目实施过程中，课题组发展了以菌株sectored colony筛选和Illumina高通量测序为基础的在二倍体酵母检测染色体重排与杂合性丢失的高效分析技术，为相关研究提供了建议。本项目相关研究成果在《PNAS》、《mBio》、《Bioresource Technology》和《Applied Microbiology and Biotechnology》等国际知名刊物上发表论文8篇，在投稿SCI论文3篇，授权国家发明专利3项。 项目共培养博后1名，博士生2名，硕士生6名，其中主要成员2人次曾前往美国杜克大学开展研究工作，为他们今后的学术生涯奠定了重要基础。