从三维基因组深度研究酿酒酵母抗性机制及高抗性与高木糖代谢的拮抗性

The high efficiency of co-fermentation of xylose / glucose to produce ethanol and the high resistance to the inhibitors are the basic requirements for Saccharomyces cerevisiae that are suitable for second-generation bioethanol production using lignocellulose as a feedstock. Recently, with the increasing ability of S. cerevisiae co-fermenting xylose/glucose to produce ethanol, new bottlenecks have also emerged, mainly due to the fact that the inhibitors still have serious interference with ethanol fermentation; and high resistance of the strains is antagonistic to high xylose metabolism. The phenomenon of antagonism (which, through adaptive evolution, increases the resistance of xylose-fermenting strain to inhibitors some lose the ability to metabolize xylose) has not been noticed, and the current understanding of the theoretical mechanisms underlying these properties is still insufficient, which is a common issue that international peers face. The project will perform multi-level omics analysis including the use of Hi-C technology to create three-dimensional genomics big data to analyze the genetic perturbation and environmental disturbance using previously obtained series of S. cerevisiae derived strains. Based on that, we aim to find the underneath mechanism, select the accurate components, investigate function and mechanisms of interaction and reveal the synergy to improve the resistance of strains and xylose metabolism. This research will provide a theoretical basis and components for further rational engineering.

木糖/葡萄糖的高效乙醇共发酵及对工艺过程产生抑制物的高抗性是适于以木质纤维素为原料二代燃料乙醇生产对酿酒酵母的基本要求。近年来，随着酿酒酵母对木糖/葡萄糖乙醇共发酵能力不断提高，也显现出新的瓶颈，主要是抑制物对菌株乙醇发酵的干扰依然严重；及其高抗性与高木糖代谢此消彼涨拮抗现象(通过适应性进化提高木糖代谢菌株对抑制物抗性的同时往往损失木糖代谢能力)尚未被关注，目前对这些特性的相关理论机制认知不足，是国际同行共同面对的难题。为此，本项目利用前期得到的不同表型酿酒酵母系列衍生株，从基因扰动及环境扰动角度，开展多层次组学分析，包括利用Hi-C技术创立三维基因组学大数据，拟从菌株材料、环境条件的多样性到分析方法的多样性进行多角度生物信息学综合深度分析，发现规律，最大限度地准确选择出元件，研究功能成因及互作机制，以揭示协同提高酿酒酵母抗性及木糖代谢的机理，发掘有效元件，为进一步理性改造提供理理论依据。

葡萄糖的高效乙醇共发酵及对工艺过程产生抑制物的高抗性是适于以木质纤维素为原料二代燃料乙醇生产对酿酒酵母的基本要求。近年来，随着酿酒酵母对木糖/葡萄糖乙醇共发酵能力不断提高，也显现出新的瓶颈，主要是抑制物对菌株乙醇发酵的干扰依然严重；及其高抗性与高木糖代谢此消彼涨拮抗现象(通过适应性进化提高木糖代谢菌株对抑制物抗性的同时往往损失木糖代谢能力)尚未被关注，目前对这些特性的相关理论机制认知不足，是国际同行共同面对的难题。为此，本项目利用前期得到的不同表型酿酒酵母系列衍生株，从基因扰动及环境扰动角度，开展多层次组学分析，包括利用Hi-C技术创立三维基因组学大数据，从菌株材料、环境条件的多样性到分析方法的多样性进行多角度生物信息学综合深度分析，发现规律，最大限度地准确选择出元件，研究功能成因及互作机制，以揭示协同提高酿酒酵母抗性及木糖代谢的机理，发掘有效元件，为进一步理性改造提供理理论依据。重要结果有：.1).利用Hi-C技术，捕获了酿酒酵母不同抗性菌株的遗传扰动和香草醛胁迫下的环境扰动的染色体三维空间的互作图。结果显示基因组DNA的突变和香草醛胁迫对三维染色体组织的影响不大，TAD边界的重塑或消失与基因表达显示没有必然的调控联系。为酿酒酵母一些表型和遗传物质变化之间的认识提供了一个新的角度。.2).通过对大量不同表型的菌株间比对遗传扰动及抑制物（香草醛）环境扰动下的多种组学分析，且从遗传学、生物化学等多角度的实验验证，揭示了分子机理，并发掘了多个有效分子元件，为二代燃料乙醇生产专用酿酒酵母的理性育种提供了坚实的理论认知及多种策略。.3).针对二代燃料乙醇生产专用酿酒酵母生产性能的要求，进行明确性高通量筛选育种，得到了高性能生产菌株，并在多种原料结合不同上游工艺原料上的评估，证实了C5/C6共利用二代燃料乙醇生产专用菌株的产业化性能。