Obtaining new brewing yeasts using regional Chilean wine yeasts through an adaptive evolution program
- 作者
- Ángela Contreras, Manuel Villalobos-Cid, Cristian Valdés, Carlos A. Villarroel, Felipe Castro, Ignacio Farias, Gustavo Lorca
- 单位
- Center for Biotechnology of Natural Resources, Faculty of Agricultural and Forestry Sciences, School of Biotechnology, Universidad Católica del Maule, Talca, Chile; Departamento de Ingeniería Informática, Facultad de Ingeniería, Laboratorio of Artificial Intelligence applied to Bioinformatics, Universidad de Santiago de Chile, Santiago, Chile; Centro de Investigación de Estudios Avanzados del Maule (CIEAM), Vicerrectoría de Investigaciones y Posgrados, Universidad Católica del Maule, Talca, Chile; Departamento de Biotecnología, Kayta, Santiago, Chile; Faculty of Agricultural and Forestry Sciences, School of Agronomy, Universidad Católica del Maule, Talca, Chile
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2025）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2025.1599904
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
非酿造酵母（如葡萄酒酵母）难以在啤酒酿造条件下（高渗透压、低温、麦芽糖和麦芽三糖为主要碳源）高效发酵，导致啤酒菌株选择有限，风味单一。
研究策略
从50株智利葡萄酒酵母中筛选出5株，通过三个阶段适应性进化（逐步提高麦芽汁浓度至300 g/L、温度降至18°C、限制摇动）共600代，获得进化菌株L261 col5 max，并通过全基因组测序和流式细胞术分析遗传变化。
核心内容
本研究从50株区域智利葡萄酒酵母出发，通过三阶段适应性进化（逐步提高麦芽汁浓度至300 g/L、降低温度至18°C并限制摇动）历经600代，成功获得适应啤酒酿造条件的进化菌株L261 col5 max。该菌株能在29°P高浓度麦芽汁中高效发酵，在天然Pale Ale麦芽汁中衰减率达74%，絮凝率78%，与商业菌株Nottingham™相当。全基因组测序揭示其遗传基础发生显著变化：完全丢失一个亲本基因组，存在19处非整倍体事件，麦芽糖代谢关键基因IMA1、MAL13、MAL11发生重复，而絮凝相关基因FLO5完全丢失。挥发性化合物分析显示，L261 col5 max啤酒中乙基2-甲基丁酸酯（0.76 mg/L）和乙酸乙酯（2.84 mg/L）显著高于商业菌株（0.32和1.41 mg/L），并产生独特的2-十一醇等香气物质，感官评价中酯类复杂性和偏好度均位列第一。该研究证明，通过高胁迫适应性进化可有效利用地方葡萄酒酵母的遗传多样性开发非转基因新型酿造酵母，为啤酒风味多样化提供了可行路径。
创新点
利用地方葡萄酒酵母的遗传多样性，通过非转基因的适应性进化获得新型酿造酵母，避免了转基因法规限制；进化菌株表现出高衰减率、独特香气特征和大规模基因组重排（如倍性变化和拷贝数变异）。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 麦芽糖代谢 | IMA1 | α-葡萄糖苷酶（异麦芽糖酶） | 催化 | 麦芽糖分解酶，进化菌株中出现重复拷贝 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 麦芽糖代谢 | MAL13 | α-葡萄糖苷酶（麦芽糖酶） | 催化 | 麦芽糖代谢相关，进化菌株中重复 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 麦芽糖与麦芽三糖转运 | MAL11 | 麦芽糖高亲和转运蛋白 | 转运 | 可运输麦芽三糖，进化菌株中重复 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 细胞壁絮凝 | FLO5 | 凝集素样细胞壁蛋白 | 区室化 | 完全丢失，与絮凝相关 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 己糖转运 | HXT13 | 己糖转运蛋白 | 转运 | 进化菌株保留功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 氨基酸转运 | AGP3 | 氨基酸通透酶 | 转运 | 进化菌株保留功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 氨基酸转运 | VBA2 | 液泡碱性氨基酸转运蛋白 | 转运 | 进化菌株保留功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 脂质生物合成 | SPT23 | 转录调控因子 | 调控 | 进化菌株保留功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 非发酵碳源代谢 | RSF1 | 呼吸生长相关蛋白 | 调控 | 调节甘油等非发酵碳源代谢，进化菌株保留功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甘油代谢 | RSF2 | 锌指蛋白 | 调控 | 转录调控甘油消耗基因，进化菌株继承非功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | TOR信号通路 | CFR1 | 核糖体蛋白基因转录抑制因子 | 调控 | 进化菌株继承非功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 染色质重塑 | IES5 | INO80复合物亚基 | 调控 | 进化菌株继承非功能等位基因，可能影响代谢调控 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 糖原代谢 | GDB1 | 糖原脱支酶 | 催化 | 进化菌株继承非功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 呼吸链 | SHH4 | 琥珀酸脱氢酶替代亚基 | 能量供给 | 进化菌株继承非功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 己糖转运 | HXT11 | 己糖转运蛋白 | 转运 | 进化菌株继承非功能等位基因 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 脂肪酸降解 | OAF3 | 转录抑制因子（Zn2-Cys6） | 调控 | 进化菌株继承非功能等位基因 |
关键发现
- 50株初筛中22株能消耗麦芽三糖，选出13株，最终选出5株（L170、L261、L718、L169、L167）及8ji进行适应性进化。600代进化后，L261 col5 max能在29°P高浓度麦芽汁、18°C、无振荡条件下发酵。在天然Pale Ale麦芽汁中（初始糖：麦芽糖65.6 g/L，麦芽三糖25.1 g/L，葡萄糖12 g/L，果糖3.8 g/L），L261 col5 max消耗麦芽糖和麦芽三糖水平高于其他进化菌株，乙醇产量更高，衰减率达74%，絮凝率78%（与商业菌株Nottingham™相同）。基因组测序显示：进化菌株完全丢失一个亲本基因组，存在19处非整倍体事件，如1号和6号染色体末端+4拷贝，4、11、12、13号染色体末端+1拷贝
- 麦芽糖代谢基因IMA1、MAL13、MAL11出现重复
- 160个基因丢失一个拷贝，其中FLO5、PAU8、SEO1完全丢失。挥发性化合物分析：L261 col5 max啤酒中乙基2-甲基丁酸酯（0.76 mg/L）和乙酸乙酯（2.84 mg/L）显著高于商业菌株（0.32和1.41 mg/L），并产生独特香气如2-十一醇等。感官评价中L261 col5 max在酯类复杂性得分上显著高于商业菌株，偏好测试中排名第一。
研究结论
应用高胁迫水平的适应性进化成功将区域性智利葡萄酒酵母改造成啤酒酿造酵母，为非转基因改良酿造菌株提供了高效方法，有助于啤酒风味多样化，降低对专用酿造酵母的依赖。