酿酒酵母倍性变化对表型和基因表达的影响

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本文通过构建可用半乳糖诱导表达的含HO质粒,改变酵母细胞交配型并进行酵母细胞杂交获得多倍体细胞。以单倍体酵母菌株CEN-H为出发菌株,构建获得同源的二倍体CEN-D、三倍体CEN-TR和四倍体CEN-TE。为了探究染色体组数目对酵母的细胞表型和生理的影响,我们测试了1-4倍体酵母细胞的生长曲线、对胁迫因子的耐受性、在不同条件下的发酵性能和生理生化指标等细胞表型,并对4个菌株进行了RNA-seq测序和分析,揭示其对基因表达的影响。  在菌株构建成功后,对4株同源酵母菌株进行了DNA含量测定、核型分析和细胞形态的扫描电子显微镜观察。结果显示,细胞DNA含量随染色体倍性的增加而显著增加,4株同源酵母菌株的核型相同,这表明同源多倍体菌株构建是成功的。通过对4株同源酵母菌株的细胞进行扫描电镜观察发现,酿酒酵母细胞随着染色体组数增加体积不断增大,可观察到细胞表面芽痕增多。4株同源酵母菌株的生长曲线表明,酵母菌株的生长速度随细胞染色体倍性的增加而降低。对构建的同源不同倍性酵母菌株在高温、高渗、低pH、乙醇、甲酸、乙酸、乳酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、香草醛、过氧化氢、硫酸铜、亚砷酸钠、氟康唑和多菌灵等15种条件下的耐受性比较结果显示,染色体组数目不同的酵母菌株对不同胁迫因子的耐受性有差异,酵母菌株对乳酸和多菌灵的耐受性随其染色体倍性增加而降低;对香草醛、硫酸铜和氟康唑的耐受性随染色体组数目增加而增强;对糠醛、5-羟甲基糠醛、亚砷酸钠、8%乙醇和42℃条件下,二倍体酵母菌株的耐受性最强;而三倍体酵母细胞对甲酸、过氧化氢、高渗的耐受性最强。不同倍性的酵母菌株的发酵性能也表现出较显著的差异。不同倍性的同源酵母菌株在含20%葡萄糖的YPD培养基中发酵时,发酵速度随酵母菌株的倍性增加而降低;在纤维素水解液A和纤维素水解液B条件下,三倍体菌株的生长延滞期最短、发酵速度最快,二倍体次之,而二倍体和三倍体菌株在YPD中发酵时的乙醇产量较高,但两者差异不显著;在纤维素水解液发酵条件下,不同倍性菌株之间的乙醇产量差异并不显著。随着染色体组数目的增加,酵母菌株的蔗糖酶活力降低。单倍体和三倍体菌株的胞内海藻糖含量比二倍体和四倍体的要高。4株同源酵母菌株中三倍体的SOD和CAT酶活力是最高的。对4株同源酵母菌株的RNA-seq分析结果显示,参与翻译、核糖体合成、蛋白质合成和基因表达等过程的基因表达水平随细胞倍性增加而提高;参与细胞应激反应的基因表达量随酵母细胞染色体组数增加而降低。通过对不同倍性酵母细胞中与生理生化过程相关基因的相对表达量进行比较发现,与海藻糖代谢和麦角固醇合成过程相关基因的相对表达量与胞内海藻糖和麦角固醇含量测定结果是基本一致的。但蔗糖酶、SOD、CAT活力和GSH总含量的测定结果和预期相关基因在不同倍性酵母细胞中的相对表达量的结果并不一致,可能与基因表达转录后的调控有关。  上述结果不仅揭示了酵母染色体倍性变化对细胞多方面表型的影响规律,同时提出了酵母基因组结构对遗传表型影响的一系列新的科学命题与探研线索,也为构建适应各种工业化乙醇生产条件的优良酵母菌株提供了具有重要应用价值的研究思路与方法。
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