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酵母对纤维素乙醇生产中的抑制剂响应的系统生物学研究

李炳志  
【摘要】:纤维素预处理产生的抑制剂和发酵终产物乙醇对酿酒酵母的抑制是纤维素乙醇生产中的重要限制因素。增强酵母对这些抑制性物质耐受性是突破限制因素的有效途径,可以增强酵母在这些抑制剂存在下的乙醇生产能力。本研究利用系统生物技术,针对代表性的抑制剂(糠醛和醋酸)和乙醇的耐受问题,研究了酿酒酵母在不同系统水平上的响应和不同耐受菌株的差异。 利用酵母全基因组表达谱芯片,研究了酿酒酵母在转录组水平上对糠醛和醋酸的响应。糠醛的加入导致酵母参与叶酸代谢、精胺和亚精胺合成等重要的相关基因的表达下调,氧化胁迫相关基因的转录上调。醋酸的加入使酵母特异性下调了21个与线粒体核糖体蛋白相关基因的表达,表达显著上调的基因主要涉及多种氨基酸的合成。 利用表达谱芯片研究了驯化得到的糠醛耐受菌株和醋酸耐受菌株与其原始出发菌株的转录组差异。糠醛耐受菌株中,包括细胞壁合成和细胞壁相关信号转导相关基因的表达显著下调,可能导致细胞壁变薄;另外,导致的细胞膜层叠的增强HMG1基因在糠醛耐受菌株中是高表达的,这些因素可能导致糠醛转化增强从而增强菌株的耐受能力。在醋酸耐受菌株中,参与醋酸诱导的细胞凋亡过程的与线粒体有关的基因和细胞自我吞噬功能相关的基因明显低表达。另外,a型单倍体特异性信息素响应通路相关的基因在醋酸耐受菌株中明显高表达。 运用表达谱芯片、GC-TOF/MS和二维凝胶电泳技术研究具有不同乙醇耐受性的同源单双倍体菌株在不同乙醇浓度下的转录组、代谢物组和蛋白组的差异。在转录水平上发现,乙醇诱导脂类合成调控相关基因的表达,涉及脂肪酸链长变化、固醇的摄取、肌醇的合成等,说明脂类在乙醇对细胞的作用中有重要作用;乙醇还抑制多种氨基酸合成相关基因,嘌呤合成和一些辅因子代谢相关基因,这可能是乙醇抑制细胞生长和活力的原因;两个单倍体低表达的基因主要涉及电子转运、转运小泡形成、重金属离子的转运和代谢以及细胞壁,这可能是单双倍体菌株乙醇耐受差异形成原因。代谢物图谱进行聚类分析发现:二倍体菌株和alpha型单倍体的代谢相似,而且乙醇的胁迫会减小不同菌株间代谢物图谱的差异;二倍体和单倍体酵母在乙醇存在下的碳和氮代谢相关的代谢物和细胞膜组分产生了显著差异。利用二维凝胶电泳耦合MALDI-TOF/MS技术研究发现:在无乙醇存在下,单倍体菌株中大多数与糖酵解相关的蛋白含量低于二倍体菌株,表明单倍体菌株的糖酵解活性低于二倍体菌株;在乙醇胁迫下,胁迫响应相关蛋白的表达在单倍体中上调,而在二倍体中下调,表明单双倍体对乙醇胁迫的响应机制可能有差异。


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