Transcriptomic and metabolomic correlation analysis: effect of initial SO2 addition on higher alcohol synthesis in Saccharomyces cerevisiae and identification of key regulatory genes
- 作者
- Yuan Lin, Na Zhang, Yonghong Lin, Yinhao Gao, Hongxing Li, Cuixia Zhou, Wu Meng, Weishuai Qin
- 单位
- State Key Laboratory of Biobased Material and Green Papermaking (LBMP), Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan, China; College of Biology and Brewing Engineering, Taishan University, Taian, China
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2024）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2024.1394880
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
初始SO2添加对酿酒酵母高级醇合成的影响机制尚不明确，亟需鉴定关键调控基因和代谢通路。
研究策略
通过转录组与代谢组关联分析，筛选与高级醇合成相关的差异表达基因和差异代谢物，结合趋势分析构建单基因敲除菌株进行功能验证。
核心内容
该研究以酿酒酵母EC1118a为对象，通过转录组与代谢组关联分析，探究初始二氧化硫添加对高级醇合成的影响机制。实验设置30、60、90 mg/L三个浓度梯度，发现总高级醇产量呈先升后降趋势，60 mg/L时最高达113.677 mg/L，较30 mg/L增加16.892%，其中异丁醇增幅最大（31.064%）。组学分析显示SO₂主要影响碳代谢、丙酮酸代谢、糖酵解及磷酸戊糖途径。据此构建了10个单基因敲除菌株进行功能验证，其中EC1118a-SER33的异丁醇含量降低71.346%，EC1118a-ADH4的异戊醇降低21.003%，EC1118a-GDH2的苯乙醇降低25.198%，总高级醇分别降低约15%。结果表明，初始SO₂通过改变碳代谢前体供应和氧化还原辅因子可用性间接调控高级醇合成，ADH4、SER33和GDH2是调控高级醇生产的关键基因，为定向构建低高级醇酿酒酵母菌株提供了理论依据。
创新点
首次采用多组学关联分析揭示初始SO2添加对酿酒酵母高级醇合成的影响，并鉴定出ADH4、SER33、GDH2等关键基因。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 高级醇合成（Ehrlich通路） | ADH4 | 酒精脱氢酶同工酶IV | 催化 | 编码醇脱氢酶，催化醛还原为高级醇；敲除后异戊醇降低21.003% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 高级醇合成（Ehrlich通路） | ADH5 | 酒精脱氢酶同工酶V | 催化 | 编码醇脱氢酶，敲除后总高级醇降低14.771% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 谷氨酸代谢 | GDH2 | NAD+依赖的谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 编码谷氨酸脱氢酶，敲除后苯乙醇降低25.198% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 丝氨酸生物合成 | SER33 | 3-磷酸甘油酸脱氢酶 | 催化 | 催化丝氨酸合成第一步，敲除后异丁醇降低71.346% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 丙酮酸代谢 | PDC6 | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 编码丙酮酸脱羧酶，参与α-酮酸脱羧 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成 | LEU2 | α-异丙基苹果酸合酶 | 催化 | 参与亮氨酸合成，敲除影响高级醇前体 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 氨基酸代谢 | CHA1 | L-丝氨酸/L-苏氨酸脱氨酶 | 催化 | 敲除后苯乙醇降低18.234% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 高级醇合成（Ehrlich通路） | ARO10 | 苯丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 参与苯丙氨酸代谢，敲除后苯乙醇降低18.016% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 细胞壁维持 | TIR1 | 细胞壁甘露蛋白 | 调控 | 与细胞壁/质膜维护有关，敲除后异戊醇降低17.334% |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 丁二醇代谢 | BDH2 | 丁二醇脱氢酶 | 催化 | 编码丁二醇脱氢酶，参与高级醇相关代谢 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 丙酮酸代谢 | ALD6 | 胞质乙醛脱氢酶 | 催化 | 催化醛氧化为酸，下调可提高醇含量 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 糖酵解 | CDC19 | 丙酮酸激酶 | 催化 | 催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 糖酵解 | TPI1 | 丙糖磷酸异构酶 | 催化 | 催化磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛互变 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 糖酵解 | FBA1 | 果糖-1,6-二磷酸醛缩酶 | 催化 | 参与糖酵解，影响丙酮酸前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae EC1118a | 糖转运 | HXT2 | 己糖转运蛋白 | 转运 | 葡萄糖转运蛋白，影响碳源摄入 |
关键发现
- 随着SO2浓度从30 mg/L增至90 mg/L，总高级醇产量呈先增后降趋势：在30、60、90 mg/L下总高级醇分别为91.513、113.677、98.649 mg/L，60和90 mg/L较30 mg/L分别增加16.892%和7.797%
- 异丁醇分别增加31.064%和5.964%，异戊醇增加16.473%和7.163%，苯乙醇增加16.824%和11.064%。转录组与代谢组关联分析显示SO2影响碳代谢、丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、磷酸戊糖途径等。构建10个单基因敲除菌株后，EC1118a-ADH4的异戊醇含量降低21.003%，EC1118a-SER33的异丁醇降低71.346%，EC1118a-GDH2的苯乙醇降低25.198%
- 总高级醇分别降低16.479%、15.620%、14.771%。
研究结论
初始SO2添加通过影响碳代谢前体供应和氧化还原辅因子可用性，间接调控酿酒酵母高级醇合成；ADH4、SER33和GDH2是调控高级醇生产的关键基因，为构建低高级醇菌株提供了理论依据。