Integrative multi-omics reveals genetic and transcriptomic determinants of aroma formation during alcoholic fermentation in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Inseo Kim, Sung Han Kim, Soo Kweon Lee, Eunkyung Choi, Soyun Choi, Doyoon Shin, Ahyoung Lim, Seokmin Yoon, Hyun Park
- 单位
- Department of Biotechnology, College of Life Sciences and Biotechnology, Korea University, Seoul, Republic of Korea; LOTTE R&D Center, Seoul, Republic of Korea; Department of Bioprocess Technology, Bio Campus of Korea Polytechnics, Nonsan, Republic of Korea
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2026）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2026.1866172
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析酿酒酵母在酒精发酵中菌株特异性香气多样性的分子机制，整合基因组、转录组和代谢组数据，阐明挥发性有机化合物（VOCs）生物合成的遗传和转录调控决定因素。
研究策略
对三株工业酿酒酵母（SC8292、SC8293、SC8301）进行全基因组测序、RNA-seq转录组分析和SPME-GC-MS挥发性代谢物分析，结合基因共线性分析和多组学整合（GO、KEGG、O2PLS）揭示基因表达与香气代谢物之间的关联。
研究路线图
核心内容
该研究整合基因组、转录组与代谢组数据，系统解析了三株工业酿酒酵母（SC8292、SC8293、SC8301）在酒精发酵中香气形成差异的分子机制。通过全基因组测序、RNA-seq及SPME-GC-MS挥发性代谢物分析，结合多组学整合（GO、KEGG、O2PLS）等方法，共鉴定28种挥发性化合物，发现菌株间香气轮廓差异显著，如SC8292中异戊醇相对峰面积达20.06%，SC8301中乙酸异戊酯为5.88%。差异表达基因分析显示各菌株分别有1988、1416和1184个基因表达改变。关键发现包括：SC8292因基因组中ALD2基因缺失而完全不产生乙酸，揭示了乙酸盐生物合成的遗传变异基础；ADH1、ADH3、ADH5的高表达与高级醇及脂肪酸酯产量升高一致，EEB1和EHT1上调促进酯类合成。该研究证明基因组变异与转录调控共同决定菌株特异性香气，所鉴定的ADH1、ALD2、EEB1等基因可作为菌株筛选与代谢工程改造的候选靶点，为改善发酵风味质量提供了理论依据。
创新点
1. 首次整合基因组、转录组和代谢组多组学数据解析三株酿酒酵母的香气形成机制；2. 发现SC8292菌株基因组中ALD2基因缺失导致乙酸不产生，提供了乙酸盐生物合成的遗传变异新见解；3. 揭示了ADH1、ADH3、ADH5、EEB1、EHT1等基因及GCR1、ADR1、SIP4等转录因子与香气表型的相关性，为菌株筛选和代谢工程提供候选靶点。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | Ehrlich pathway | ADH1 | 乙醇脱氢酶1 | 催化 | 在SC8292中高表达，促进醛类还原为高级醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | Ehrlich pathway | ADH3 | 乙醇脱氢酶3 | 催化 | 在SC8292中高表达，参与高级醇合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | Ehrlich pathway | ADH5 | 乙醇脱氢酶5 | 催化 | 在SC8292中高表达，参与高级醇合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇代谢 | ADH2 | 乙醇脱氢酶2 | 催化 | 在SC8293中高表达，将乙醇氧化为乙醛，与乙醛积累一致 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙酮酸代谢 | PDC1 | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 在SC8293中高表达，将丙酮酸转化为乙醛 |
| Saccharomyces cerevisiae | 脂肪酸酯合成 | EEB1 | 乙酯生物合成蛋白1 | 催化 | 在SC8292中高表达，促进脂肪酸乙酯合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 脂肪酸酯合成 | EHT1 | 乙醇己酰转移酶1 | 催化 | 在SC8292中高表达，促进脂肪酸乙酯合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酸酯合成 | ATF1 | 醇乙酰转移酶1 | 催化 | 与乙酸酯产量无直接相关，主要受底物可得性影响 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酸酯合成 | ATF2 | 醇乙酰转移酶2 | 催化 | 与乙酸酯产量无直接相关，主要受底物可得性影响 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醛代谢 | ALD2 | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 在SC8293和SC8301中表达，在SC8292中缺失导致乙酸不产生 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醛代谢 | ALD6 | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 文献报道为乙酸形成的主要贡献者，本研究中未作为主要发现 |
| Saccharomyces cerevisiae | 转录调控 | GCR1 | 转录因子Gcr1p | 调控 | SC8292中高表达，激活ADH1转录 |
| Saccharomyces cerevisiae | 转录调控 | ADR1 | 转录因子Adr1p | 调控 | 在SC8301中表达降低，与ADH2低表达一致 |
| Saccharomyces cerevisiae | 转录调控 | SIP4 | 转录因子Sip4p | 调控 | 在SC8301中表达降低，与ADR1协同调控ADH2 |
| Saccharomyces cerevisiae | 转录调控 | RAP1 | 转录因子Rap1p | 调控 | 促进ADH1启动子可及性，辅助GCR1结合 |
关键发现
- 三株酿酒酵母基因组大小11.92-11.99 Mbp，N50为888-923 kb，GC含量38.22%-38.27%，预测蛋白编码基因约5535-5565个，BUSCO完整度97.3%-97.5%
- 共检测到28种挥发性化合物，分为6类，其中SC8292中异戊醇相对峰面积20.06%、苯乙醇9.94%、乙基己酸酯3.52%
- SC8293中乙醛0.73%、乙酸0.68%、辛酸2.50%
- SC8301中乙酸异戊酯5.88%、异戊醇17.03%
- 差异表达基因数分别为SC8292 1988个（上调984、下调1004），SC8293 1416个（上调774、下调642），SC8301 1184个（上调615、下调568）
- SC8292中ADH1、ADH3、ADH5高表达与高级醇和脂肪酸酯产量升高一致，EEB1和EHT1上调促进脂肪酸酯合成
- SC8293中ADH2和PDC1高表达与乙醛积累一致
- SC8292因ALD2基因缺失（染色体无该基因）而不产生乙酸。
研究结论
基因组变异和转录调控共同决定菌株特异性的香气轮廓；多组学整合分析为香气多样性的分子基础提供了机制性见解，并确定了ADH1、ADH2、EEB1、EHT1、ALD2等候选基因作为菌株筛选和代谢工程改造以改善发酵风味质量的潜在靶点。