水平基因转移对酿酒酵母基因组进化和表型性状的影响

Horizontal gene transfer (HGT) plays an important role in genomic diversity and evolution adaptability of eukaryotes. Exploring its mechanisms has attracted increasing attentions in the field of biology research. In this project, we plan to systematically disclose the effects of HGT on genome evolution and phenotypes of yeast Saccharomyces cerevisiae, an important model organism, at the molecular, physiological, and cellular levels. Our studies will include: (1) discovery of the HGT genes on some S. cerevisiae genomes which have been sequenced in our previous work; (2) Utilization of comparative genomics to reveal the contribution of HGT to chromosomal structures and gene pools; (3) determination of the expression features and biological functions of the HGT genes using RNA-Seq, physiological factors analysis, and genetic manipulations; (4) comparison of stress tolerance and fermentation performances between HGT mutants and wide type yeast strains.The implement of this project will not only enrich our knowledge about the genetic mechanisms underlying the evolution in eukaryotes, but also will guide the development and assessment of novel engineered yeast strains and other microorganisms used in industrial productions.

水平基因转移（Horizontal Gene Transfer，HGT）如何影响真核生物的基因组变异和适应性进化是极其前沿和重要的生物学命题，也是有关应用研究（如转基因技术）所依赖的重要基础。本项目拟以真核模式微生物酿酒酵母为研究对象，从分子、生理代谢和细胞表型三个水平系统探讨HGT对酵母基因组进化和表型性状的影响。研究内容包括：（1）在申请者前期已完成多株酿酒酵母基因组测序组装的基础上挖掘HGT基因；（2）比较基因组分析HGT事件对酵母染色体结构和基因池的影响；（3）RNA-Seq、生化分析和分子遗传操作等方法检测HGT基因的表达特性和生物学功能；（4）比较分析HGT基因突变株（敲除或过表达）与野生型菌株对不同环境胁迫耐性和发酵能力上的差别。课题目标的实现，不仅在理论上可以完善真核生物的遗传进化机制，同时对构建具优良性状的工业酵母菌株和评估基因工程微生物的性能具重要现实意义。

水平基因转移的概念是相对于亲代与子代间的垂直基因转移提出的，是指不同物种之间或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。这种转移可发生在细菌、古细菌及真核生物之间，作为推动物种进化的重要动力，对生物基因组进化表现出深刻的影响，是当前生命科学领域的研究热点。酿酒酵母是生命科学研究中重要的模式生物和工业微生物，本项目运用高通量测序技术解析了10株在我国乙醇发酵工业上有重要应用的酿酒酵母基因组信息，在全基因组水平挖掘了不同菌株间基因池差异以及50余个水平转移基因的序列与功能注释。同时运用多种分子遗传学操作、酶活检测、基因表达和表型分析等技术考察了10余个水平转移基因的表达模式与生物学功能，特别是对酵母菌株乙醇发酵相关性状的影响。最后在分子遗传水平探索了水平转移基因的发生与演变机制，证实了DNA复制压力在诱导染色体DNA断裂、重组、和促进水平转移基因进化中的作用。课题组所取得的研究结果和数据不仅对创新酿酒酵母的育种技术、选育高胁迫耐性与高乙醇发酵性能的优良工业菌株具有重要的实际指导意义，也获得了一系列具工业应用潜力的酿酒酵母菌株，并与合作单位开展了中试水平的研究。同时，由于基因组不稳定现象与水平基因转移在生物表型进化中发挥了重要的作用，本项目开展的关于DNA复制压力如何推进大范围的染色体重组和环状DNA的产生对阐明肿瘤等疾病的发生机制也具有一定的理论参考价值。此外，该项发展了以Illumina高通量测序为基础的在二倍体酵母细胞中高效检测染色体重排与杂合性丢失的分析技术，为同行的相关研究提供了较好的借鉴。近三年，项目相关研究成果在《PNAS》和《mBio》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，为课题组后续进一步揭示生物基因组进化与微生物育种技术创新的研究工作奠定了重要的理论与技术基础。