酿酒酵母乙醇耐受性机理研究进展

酿酒酵母(Sacchromyces cerevisiae)一直是主要的生物乙醇和酿酒业发酵菌株, 具有发酵速度快、乙醇产量高特性。然而, 产物乙醇积累造成的毒性效应是限制乙醇产量的主要因素之一, 研究酿酒酵母乙醇耐受性为解决这一工业难题奠定了理论基础。本文从乙醇对酵母细胞生理、细胞结构和组分的影响, 以及酿酒酵母乙醇耐受性的遗传基础方面综述了酿酒酵母乙醇耐受性机理的研究进展。     

酿酒酵母乙醇耐受性的研究进展

生物乙醇作为一种可再生的清洁能源,正在引起人们的广泛关注.酿酒酵母是乙醇生产中最常用的发酵菌株,但是乙醇耐受性往往成为限制酿酒酵母菌乙醇产量的重要因素.选育耐受高浓度乙醇的酵母菌株对于提高乙醇产率具有重要意义.然而传统的菌株改良方法具有育种周期长,突变方向不定等缺点.主要综述了近年来国内外对酿酒酵母菌耐受乙醇的分子生物学机理方面的研究成果,进而总结了提高酿酒酵母乙醇耐受性的基因工程、代谢工程.     

酵母生物多样性开发及工业应用

酵母是一类包括酿酒酵母和非常规酵母在内的多种单细胞真菌的总称,其中酿酒酵母是应用较多的重要工业微生物,广泛应用于生物医药、食品、轻工和生物燃料生产等不同生物制造领域。近年来,研究者从不同生态环境中分离了大量的酵母菌株,鉴定了多个新种,也发现了抗逆性不同以及具有多种活性产物合成能力的菌株,证明天然酵母资源具有丰富的生物多样性和功能多样性。利用基因组挖掘以及转录组、蛋白组等多组学分析研究,可进一步开发利用酵母遗传多样性,获得酶和调节蛋白的基因以及启动子等遗传元件改造酵母菌株。除了利用酵母的天然遗传多样性,还可通过诱变、驯化、代谢工程改造及合成生物学等技术产生具有多种非天然多样性的菌株。此外,对天然遗传元件也可以进行突变和定向进化,所产生的新遗传元件可用于有效提升菌株的性能。开发利用酵母的生物多样性,对构建高效酵母细胞工厂,生产生物酶、疫苗以及多种活性天然产物等产品具有重要意义。文中对酵母生物多样性的研究现状进行综述,并对未来高效开发利用酵母菌株资源和遗传资源的研究进行了展望。文中所总结的研究方法和思路也可为研究其他工业微生物的多样性及进行高效菌株的选育提供参考。     

利用功能基因组学方法研究酿酒酵母乙醇生物合成的调控机理

酿酒酵母在发酵生产乙醇的过程中存在的主要问题是前期高浓度底物葡萄糖的抑制和后期高浓度产物乙醇的抑制。功能基因组学技术的发展为从基因组水平上系统研究酿酒酵母乙醇生物合成的调控机理提供可能。本研究模拟工业发酵的条件,对酿酒酵母实验菌株BY4743为遗传背景的116个单基因缺失菌株进行了乙醇发酵试验,以发现基因和乙醇发酵的关系。结果表明乙醇对菌体得率系数高于平均值30%以上的基因缺失株有20株,其中高于50%以上基因缺失株有5株;低于平均值30%以上的基因缺失株有11株,其中低于45%以上的有5株。本研究为从整个酿酒酵母基因组水平上系统研究乙醇生物合成的调控机理建立了研究方法,提供了可行性验证。     

合成型酵母基因组重排技术

基因组的结构变异是生物体表型进化的重要驱动力之一。设计与合成酵母基因组为人工基因组结构变异提供了新途径。人工合成酿酒酵母基因组(Sc2.0)通过系统性地引入重排元件,赋予了基因组柔性可变的功能,可诱导产生 DNA 片段的删除、反转、复制、移位等基因组结构变异。合成型酵母基因组重排技术可实现菌株性状的快速进化,并且为研究基因组结构变异与表型变化间的关系提供了一种快速、全新的方法。综述了合成型酵母基因组重排技术的研究热点和技术进展,并展示了其在创新菌种中的应用价值。     

封面图片介绍

正酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)又称出芽酵母,是发酵中最常用的生物种类,其细胞为圆形或卵形,直径5~10μm,繁殖方式为出芽生殖。在现代分子和细胞生物学研究中,酿酒酵母因其全基因组较小、遗传背景相对清楚、生活周期短,常用作真核模式生物,其作用相当于原核的模式生物大肠杆菌。酿酒酵母是第一个完成基因组测序的真核生物,研究发现其基因组中的编码序列与人体中获得的单个细胞中的编码序列     

过表达tRNA基因tL(CAA)K提高酿酒酵母乙酸耐受性

乙酸是木质纤维素类生物质水解液中的常见毒性抑制物,选育乙酸耐受性好的酿酒酵母菌株,有利于高效利用木质纤维素类生物质,发酵生产生物燃料和生物基化学品。目前对酿酒酵母抗逆性的研究多集中在转录水平,但对转运RNA (Transfer RNA,tRNA) 在耐受性中的作用研究较少。在对酿酒酵母抗逆性研究过程中发现,一些转运RNA基因在耐受性好的酿酒酵母菌株中转录明显上调。本文深入分析了精氨酸tRNA基因tR(ACG)D和亮氨酸tRNA基因tL(CAA)K过表达对酿酒酵母耐受木质纤维素水解液的影响。结果表明,在4.2 g/L乙酸胁迫条件下进行乙醇发酵时,过表达tL(CAA)K的菌株生长和发酵性能均优于对照酵母菌株,乙醇生产强度比对照菌株提高了29.41%,但过表达tR(ACG)D基因的菌株生长和代谢能力较对照菌株明显降低,体现了不同tRNA的不同调控作用。进一步分析发现,过表达tL(CAA)K的重组酵母菌株乙酸耐受性调控相关基因HAA1、MSN2和MSN4等胁迫耐受性相关转录因子编码基因的转录水平上调。本文的研究为选育高效利用木质纤维素资源进行生物炼制的酵母菌株提供了新的改造策略,也为进一步揭示酿酒酵母tRNA基因表达调控对抗逆性的影响提供了基础。     

稳定遗传的染色体组合整合酿酒酵母重组菌株的构建

染色体整合表达可获得稳定遗传的基因工程菌,是工业酿酒酵母育种的重要手段。pAUR135整合载体是抗生素标记基因可循环使用的载体,添加特定的同源臂后可构建在酵母染色体上稳定遗传的菌株。目前对酵母菌的分子育种常需要对多个基因进行过表达,利用pAUR135载体可将不同基因分别整合在不同染色体或相同染色体的不同位点,这种组合整合表达方法可对不同基因的表达强度比例进行调节,构建表型优化的工业酿酒酵母菌株。本研究以木糖代谢途径基因为例,构建了3个pAUR135整合载体,将3个木糖代谢基因依次整合到工业酿酒酵母染色体的不同位点,获得了染色体组合整合表达的代谢工程菌株。与将这3个基因整合在同一个位点的对照重组菌株相比,染色体组合整合的重组菌株木糖利用率提高了24.4%–35.5%。多基因染色体组合整合方法从新的角度对工业酵母进行代谢工程改造,所获得的工程菌株不带有任何外来基因和选择标记,可以保持性状的稳定,是工业酿酒酵母分子育种的新方法。     

基于基因组序列的树干毕赤酵母生理特性解析

树干毕赤酵母作为一种潜在的纤维素乙醇生产菌株,有其独特的生理优势。然而与酿酒酵母生产乙醇相比,树干毕赤酵母生产纤维素乙醇还存在着诸多阻碍。为了从细胞整体水平进一步解析树干毕赤酵母的生理代谢特征,基于树干毕赤酵母的全基因组序列,利用生物信息学的分析算法,分别解析了树干毕赤酵母与酿酒酵母代谢网络的异同;利用流量平衡分析(FBA)验证了C源生长表型;预测了158个生长必需反应;鉴定了364个转录因子并对重要调控蛋白的功能进行了分析。     

酵母模型揭示胁迫因子驱动基因组变异的研究进展

基因组变异是遗传疾病发生和物种演化的分子基础，这个过程受到细胞内外源理化因子的共同作用。模式生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）基因组小且易于开展分子遗传操作，在探究基因组变异进化调控机制的相关研究中应用广泛。本文总结了酵母模型中典型的DNA变异检测遗传体系，包括利用报告基因检测DNA突变率和红白扇形菌落筛选染色体重组子等；讨论了高通量测序技术在检测自发性和胁迫因子诱导基因组变异中的应用；综述了运用酵母模型揭示温度波动、氧化压力、抗肿瘤药物、金属离子和辐射等胁迫因子对基因组稳定性的影响及遗传机制的研究进展。酵母在多种胁迫条件下均会发生适应性进化现象，特定的染色体结构变异是适应性背后的重要遗传机制之一。在酵母中结合遗传筛选体系和高通量分析手段阐释细胞胁迫因子与基因组变异的关联机制，可为全面理解生物基因组不稳定机理和物种进化规律提供新的视角。     

基于基因组DNA诱变的遗传重组改造乙醇工业酵母的耐热性及发酵性能

酵母菌是乙醇发酵工业中非常重要的微生物细胞工厂,发酵过程中温度变化胁迫一直是影响生产效率的重要瓶颈之一,选育具有广泛温度适应性的酵母菌株对提高发酵性能和降低生产成本具有重要意义。通过化学诱变和基于基因组DNA诱变的遗传重组技术对乙醇工业酵母菌的温度适应性进行改造,获得耐热性能和发酵性能得到提高的重组酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae T44-2。重组菌株T44-2的最高生长温度比原始菌株CE6提高了3 ℃,48 ℃和52 ℃热激处理1 h,重组菌株的细胞存活率分别是原始菌株的1.84     

酿酒酵母木糖转运基因研究进展

由于对全球变暖等日益严重的环境问题的担忧,生产生物乙醇等清洁能源的技术正受到世界各国越来越多的关注。较之以粮食为原料生产乙醇,木质纤维素生产生物乙醇具有更大的发展潜力,因其来源广泛,廉价且可再生。以木质纤维素生产生物乙醇已经取得长足进步,但仍面临几个主要问题,比如天然酿酒酵母不能利用木糖发酵乙醇,木质纤维素酶成本过高,木质纤维素预处理环节成本高等。已经有基因改造的酵母菌株可以利用戊糖和己糖进行生物乙醇生产。然而,这些菌株对木糖的利用效率很低。这主要是因为酿酒酵母缺乏高效的特异性木糖转运基因,木糖运输依赖已糖转运基因。为了提高木糖利用速度,已有不少方法成功应用于构建重组酵母细胞。现对酵母木糖转运基因的最新研究进展进行简要概述。     

原生质体融合构建耐温酵母菌株(英文)

耐温的克鲁维酵母（Ｙ０３４）与产酒率高的酿酒酵母（Ａ００１）进行属间原生质体融合构建耐温酵母菌株,经ＤＴＴ分段预处理获得大量具再生活性原生质体对融合株ＡＹ０２３等进行了乙醇脱氢酶同工酶,麦芽糖同化,遗传稳定性及高温发酵分析,融合株ＡＹ０２３表达了双亲遗传特性。在４５℃高温发酵条件,乙醇产率高达７．４％,是目前已见文献报道的产酒率最高的耐温（４５℃）酵母菌株     

遗传丰余与酵母后基因组研究

遗传丰余与酵母后基因组研究潘辉李育阳（复旦大学遗传学研究所,上海２００４３３）关键词酿酒酵母遗传丰余后基因组研究酿酒酵母（以下简称酵母）基因组ＤＮＡ全序列测定后,人们从中发现了很多ＤＮＡ重复序列,其中一部分为完全相同的ＤＮＡ序列。如ｒＤＮＡ与ＣＵＰ１...     

酵母乙醇耐受性状遗传不稳定的表观遗传探讨

诱变、驯化等传统手段获得理想性状的酵母菌株,其性能在传代和保存过程中很容易发生性状丢失现象。从表观遗传学的角度出发,初步探讨酵母菌株在传统的诱变、驯化等育种过程及其性状丢失的表观遗传的分子机理。采用驯化等手段选育耐乙醇酵母,并通过无压力方式传代,研究此过程中酵母乙醇耐受性状遗传的稳定性与耐受相关的pro1、tps1、sod1基因启动子区域结合组蛋白上H3K4甲基化水平的关系。结果表明酵母乙醇耐受性状的变化受到酵母表观遗传控制。控制表观遗传的修饰过程易受环境改变的影响,因此经过选育获得的乙醇耐性性状遗传的不稳定性可能与表观遗传分子机理密切相关。     

菊粉酶基因在酿酒酵母中的表达及乙醇发酵

以乙醇耐受力较强的酿酒酵母为受体菌,构建了能够分泌菊粉酶的基因工程菌并进行了菊芋粉的生料发酵。首先,以马克斯克鲁维酵母Kluyveromyces marxianus中的基因组DNA为模板,PCR扩增菊粉酶编码基因inu,分别使用菊粉酶自身启动子和酵母磷酸甘油激酶 (Phosphoglycerate kinase,pgk) 启动子,构建重组表达质粒HO/p-inu和HO/pgk-inu。经NotⅠ线性化后,采用电击法转化酿酒酵母工业菌株Saccharomyces cerevisiae 6525,分别得到含菊     

He-Ne激光辐照酿酒酵母菌的诱变效应

本文应用ＨｅＮｅ激光对甘蔗糖蜜工业性生产用酿酒酵母菌ＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅＡＳ２．１１８９进行辐照处理,经酵母菌糖蜜酒精发酵试验,对产乙醇含量进行了气相色谱分析,发现ＨｅＮｅ激光对酿酒酵母菌具有明显的生物刺激效应和可能的诱变作用,并初步筛选到产乙醇含量有较大变化的辐照变异菌株;同时,通过对这些辐照变异菌株的乙醇脱氢酶同工酶的分析,进一步证实了ＨｅＮｅ激光对酿酒酵母菌的诱变作用。这就为工业上利用Ｈｅ－Ｎｅ激光对酿酒酵母菌进行诱变育种展现新的前景。     

耐高温酿酒酵母的选育及其在乙醇发酵生产中的应用

酿酒酵母是乙醇发酵工业的生产菌株,增强菌株的耐温性可以减少乙醇生产中降温带来的成本等问题,保证工业发酵能在高温下正常进行。介绍了耐高温酿酒酵母的常用的和新兴的育种技术方法及主要进展,以及在以玉米、甘蔗、木薯及纤维素为原料的乙醇高温发酵生产中的应用,并讨论了耐高温酿酒酵母的选育工作的挑战和乙醇工业应用前景。     

利用人工锌指文库选育高乙醇耐受性工业酵母菌株

选育高乙醇耐性的酿酒酵母菌株对提高燃料乙醇的发酵效率具有重要意义.锌指蛋白广泛存在于多种生物中,对基因的转录和翻译起重要的调节作用.利用人工设计的锌指蛋白可定向设计锌指序列及其排列顺序,实现对细胞内多个基因的全局调控.由于与环境胁迫反应相关的基因很多,因此可利用人工锌指蛋白技术获得耐受性提高的微生物重组菌.文中将人工锌指文库转入到酿酒酵母模式菌株S288c,选育了具有高乙醇耐受性的重组菌株M01,并分离了与乙醇耐受性提高相关的人工锌指蛋白表达载体pRS316ZFP-M01,转入工业酿酒酵母Sc4126,在含有不同浓度乙醇的平板上,工业酵母Sc4126的重组菌株表现出显著的耐受性提高.在高糖培养基(250 g/L)条件下进行乙醇发酵,发现重组菌的乙醇发酵效率明显快于野生型,发酵时间提前24 h,且发酵终点乙醇浓度提高6.3％.结果表明人工锌指文库能够提高酵母的乙醇耐受性,为构建发酵性能优良的酵母菌种奠定了基础.     

酵母:一种模式生物

1996年 4月 ,在国际互联网的公共数据库中公布了酿酒酵母 (以下简称酵母 )的完整基因组顺序 ,它被称为遗传学上的里程碑。因为首先 ,这是人们第一次获得真核生物基因组的完整核苷酸序列 ;其次 ,这是人们第一次获得一种易于操作的实验生物系统的完整基因组。酵母是一种较好的模式生物 ,通过对其基因组的深入研究将有助于人们了解高等真核生物基因组的结构和功能。酿酒酵母作为一种模式生物在实验系统研究方面具有许多内在的优势。首先 ,酵母是一种单细胞生物 ,能够在基本培养基上生长 ,使得实验者能够通过改变物理或化学环境完全控制其生长。…