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酿酒酵母耐性机理的代谢组学研究

李莉莉  
【摘要】: 环境胁迫下酵母的耐性是工业酿酒酵母的重要表型,选育耐性酵母菌株是改善乙醇发酵能力的研究热点之一,而了解酿酒酵母的耐性机制,可以为耐性酵母的选育提供重要的指导。目前对酵母耐性机制的研究主要是对表型、基因、蛋白或者代谢物中的某一方面的分析。虽然发现了一些胁迫相关基因和关键的细胞保护物质,但是胁迫耐受过程中的表型特征、基因调控和物质代谢之间的关系还不甚清楚,因此细胞表型、基因转录与物质代谢之间的相互解读更有利于了解酵母在胁迫下所发生的一系列应激响应。 首先,收集了16株酵母,其中1株为标准对照菌种BY4743,其他15株为乙醇生产菌株。以多株菌作为研究对象,从分子生物学鉴定、生长曲线的高通量检测和发酵性能分析等简单的表型研究入手,不仅探讨了菌体耐性与发酵性能之间的关系,而且为下一步实验提供基础的表型表征。26s rDNA分析发现所测得的16株菌均为酵母属(Saccharomyces)酿酒酵母种(Saccharomyces cerevisiae);按照乙醇产量把16株菌分为乙醇高产菌株和非高产菌株;通过抑制系数对菌株在热、山梨醇、乙醇等不同胁迫下的耐性表型进行分析排序,结果表明10#、XQ1、GIM2.143、GIM2.71为耐热菌株,6#、10#、2#为耐渗菌株,7#、5#、GIM2.143为耐乙醇菌株。重要的是,对16株酿酒酵母的发酵性能和抗热、山梨醇、乙醇胁迫能力的统计学分析发现,高温耐性和山梨醇耐性都与乙醇的生产能力有显著的相关性,这为酿酒酵母乙醇高产菌株的选育提供了一个标准和方法。 其次,在不同的逆境条件下,应用代谢组学分析了16株菌的一些代谢产物的变化,探讨了代谢产物的变化与菌株抗逆性的可能关系,初步确定一些代谢产物在抗逆中的作用。热激之后,多数菌株氨基酸的合成几乎都是上调,说明氨基酸的合成可能是热激作用下酿酒酵母的一个共同的响应,同时耐环境胁迫条件很差的9#菌株代谢响应中所有氨基酸几乎都是下调的,这进一步验证了氨基酸的合成有助于提高菌株的抗逆能力。对耐热菌株热激下氨基酸含量的分析发现,上调的都是不带电荷的极性R基氨基酸,所以我们推测不带电荷的极性R基氨基酸在热作用下起到了关键性的保护作用。通过基因芯片技术对热胁迫下耐热高产菌XQ1基因表达分析发现,该菌株的关键基因表达情况与相关物质的响应基本一致,如缬氨酸、异亮氨酸、肌醇、甘露糖等。此外,在对不同的菌体在相同胁迫下代谢响应分析时发现,对照菌株BY4743在山梨醇和乙醇胁迫时物质代谢的响应较其他工业菌株都要大,分析认为工业菌株在长久的驯化过程中建立了较为完备的应激机制,因此对环境胁迫因子呈稳态,而标准对照株呈敏感态。 最后,对耐热高产菌株XQ1在不同胁迫条件下海藻糖和甘油的代谢水平和基因表达进行了研究,基本构建了这两种细胞保护关键物质的在不利环境下的分子调控和物质响应机制。发现海藻糖和甘油的合成与分解基因都能被环境胁迫诱导表达。在胁迫的初始阶段甘油和海藻糖都是在迅速合成。初始阶段是细胞的响应敏感期。海藻糖在热处理的条件下是显著积累的,在山梨醇和乙醇的胁迫下则不明显。同时胞外的海藻糖也参与了胁迫条件下对细胞的保护。结果显示海藻糖和甘油胁迫激活的无效ATP循环是细胞胁迫适应的一个通用响应。 本研究采用代谢组学的分析手段结合表型表征和基因表达情况,通过多角度分析和探讨了酵母各不同胁迫下的应激机制,为揭示酿酒酵母耐性的调控机制及抗逆性酵母的分子育种提供了理论依据。


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