Screening and construction of Saccharomyces cerevisiae strains with improved multi-tolerance and bioethanol fermentation performance
- 作者
- Dao-Qiong Zheng, Xue-Chang Wu, Xiang-Lin Tao, Pin-Mei Wang, Ping Li, Xiao-Qin Chi, Yu-Dong Li, Qing-Feng Yan, Yu-Hua Zhao
- 单位
- Institute of Microbiology, College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang Province, PR China
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.09.122
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
工业乙醇发酵中酵母面临多种环境胁迫（渗透压、高温、氧化、乙醇、低pH等），如何通过非理性育种手段同时提高酿酒酵母的多重胁迫耐受性和乙醇发酵性能。
研究策略
系统分析15株酿酒酵母的胁迫耐受性与乙醇产量相关性，选取表型互补的优良亲本Z8和Z15，通过三轮基因组改组（孢子杂交）结合优化的初始筛选条件（20%葡萄糖+5%乙醇+38℃等），获得多重耐受性和发酵性能显著提升的菌株YZ1。
核心内容
该研究针对工业乙醇发酵中酵母面临多重环境胁迫的问题，以15株酿酒酵母为对象，系统分析了胁迫耐受性与乙醇产量的相关性，发现热耐受性及复合胁迫条件与乙醇产量显著相关。在此基础上，选取表型互补的优良亲本Z8和Z15，通过三轮基因组改组（孢子杂交）并采用优化的初始筛选条件，成功构建了多重耐受性和发酵性能显著提升的菌株YZ1。YZ1在30%葡萄糖、42℃高温、低pH和0.8M NaCl胁迫下耐受性均显著优于亲本；在高温和高渗条件下乙醇产量分别比亲本提高10.31%和10.55%，高糖条件下葡萄糖/乙醇转化率提升2-5%。机制分析显示，YZ1的麦角固醇含量达6.15 mg/g干重，比Z15高32.9%，且胞内海藻糖积累在多种胁迫下显著高于亲本；而Z15的过氧化氢酶活性仅为Z8的39.9%，且氧化胁迫下酶活性不升反降，说明多重耐受性的提升与膜完整性及保护性代谢物积累密切相关。该研究证明了无需基因调控信息即可通过基因组改组整合工业酵母优良表型的可行性，为工业菌株育种提供了有效策略。
创新点
首次系统分析了胁迫耐受性与乙醇产量之间的相关性，发现热耐受性及复合胁迫条件（CSC）与乙醇产量显著相关；采用基因组改组结合优化的初始筛选策略，无需基因调控网络信息即可同时整合多个优良表型；获得一株多重耐受性和发酵性能显著优于亲本的工业化菌株YZ1，并成功应用于工业规模生产。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae YZ1 | 乙醇发酵 | — | Catalase (CTA) | 催化 | 过氧化氢酶，抗氧化应激，YZ1的活性高于Z15且可被H2O2诱导 |
| Saccharomyces cerevisiae YZ1 | 乙醇发酵 | — | Superoxide dismutase (SOD) | 催化 | 超氧化物歧化酶，抗氧化应激，YZ1的活性高于Z15且可被H2O2诱导 |
关键发现
- YZ1在30%葡萄糖、热（42℃）、低pH和0.8M NaCl胁迫下耐受性均显著高于亲本Z8和Z15（P<0.05）
- 乙醇产量在常规、高温（42℃）和高渗（299.5 g/L葡萄糖）条件下分别比亲本提高3.11%、10.31%和10.55%
- YZ1的麦角固醇含量为6.15 mg/g干重，比Z15高32.9%
- 在稳定前期（20h）、热处理（42℃）和1M NaCl处理1h后，YZ1胞内海藻糖积累分别比Z8高20.2%、33.9%和73.5%
- Z15的过氧化氢酶（CTA）活性仅为Z8的39.9%，且Z15的CTA和SOD活性在H2O2处理后未诱导反而下降
- YZ1在高糖条件（299.5 g/L葡萄糖）下90h内乙醇产量比Z15提高10.55%，葡萄糖/乙醇转化率比传统工业菌株（Z8、Z15）提高2-5%。
研究结论
通过三轮基因组改组成功构建了多重胁迫耐受性和乙醇发酵性能显著提升的酿酒酵母菌株YZ1，证明了利用现有工业酵母的变异性状作为亲本、通过基因组改组组合优良表型的有效性，为工业菌株育种提供了可行策略。