Ploidy influences the functional attributes of de novo lager yeast hybrids
- 作者
- Kristoffer Krogerus, Mikko Arvas, Matteo De Chiara, Frederico Magalhães, Laura Mattinen, Merja Oja, Virve Vidgren, Jia-Xing Yue, Gianni Liti, Brian Gibson
- 单位
- VTT Technical Research Centre of Finland; Department of Biotechnology and Chemical Technology, Aalto University, School of Chemical Technology; Institute for Research on Cancer and Ageing of Nice (IRCAN), CNRS UMR 7284, INSERM U1081, University of Nice Sophia Antipolis; ValiRx Finland Oy
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-016-7588-3
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析杂合拉格酵母（Saccharomyces cerevisiae × Saccharomyces eubayanus）中亲本亚基因组对发酵性能、香气产生和胁迫耐受等重要表型的贡献，以及倍性水平对这些功能属性的影响。
研究策略
通过孢子-孢子交配和稀有交配构建了异源二倍体、异源三倍体、异源四倍体三种从头拉格酵母杂交株，结合基因组测序、qPCR拷贝数分析、转录分析、2 L规模高浓度和超高浓度麦汁发酵试验、风味化合物及双乙酰测定，系统比较杂交株与亲本菌株的表型差异。
核心内容
本研究通过孢子-孢子交配和稀有交配方法，构建了异源二倍体、三倍体和四倍体的从头拉格酵母杂交株（Saccharomyces cerevisiae × S. eubayanus），并结合基因组测序、qPCR拷贝数分析、转录分析和2 L规模麦汁发酵试验，系统比较了不同倍性水平杂交株与亲本在发酵性能、风味产生和胁迫耐受方面的差异。结果显示，在15°P麦汁中所有杂交株发酵均快于亲本，酒精含量达6.8–6.9%（v/v），高于亲本的6.6%和5.7%；在25°P超高浓度麦汁中，异源四倍体Hybrid C4酒精产量最高（10.4%），而异源二倍体仅5.3%，表明倍性与发酵能力正相关。风味方面，Hybrid C4在两种麦汁中均产生最高浓度的风味活性酯，其ATF1、ATF2、EHT1、EEB1和BAT1基因拷贝数随倍性增加而升高，且拷贝数与转录水平及酯类产量直接关联。此外，三倍体和四倍体在含5%乙醇条件下表现较高耐受性，但高倍性株在25°P发酵后细胞存活率显著下降（C4仅5.9%），且絮凝能力也随倍性变化。研究表明，通过调控倍性和亚基因组遗传组合，可在无需基因改造的条件下优化啤酒酵母的发酵速率和香气特征，为工业菌株开发提供了新策略。
创新点
首次系统比较不同倍性水平的从头拉格酵母杂交株的功能特性；证明倍性水平与发酵性能及酯类产量呈正相关；揭示香气相关基因拷贝数、转录水平与酯类形成之间的直接关系；提出通过倍性和亚基因组遗传控制可调控杂交酵母特性。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母A81062 × 酿酒酵母eubayanus C12902杂交株 | 乙酸酯生物合成 | ATF1 | 醇乙酰转移酶I | 催化 | S. cerevisiae和S. eubayanus来源的等位基因，拷贝数随倍性增加而增加 |
| 酿酒酵母A81062 × 酿酒酵母eubayanus C12902杂交株 | 乙酸酯生物合成 | ATF2 | 醇乙酰转移酶II | 催化 | S. cerevisiae和S. eubayanus来源的等位基因，拷贝数与转录水平正相关 |
| 酿酒酵母A81062 × 酿酒酵母eubayanus C12902杂交株 | 脂肪酸乙酯生物合成 | EHT1 | 乙醇O-酰基转移酶/酯酶 | 催化 | 拷贝数在更高倍性杂交株中增加，转录水平与乙酯产量相关 |
| 酿酒酵母A81062 × 酿酒酵母eubayanus C12902杂交株 | 脂肪酸乙酯生物合成 | EEB1 | 乙醇O-酰基转移酶/酯酶 | 催化 | 拷贝数在更高倍性杂交株中增加，参与中链脂肪酸乙酯合成 |
| 酿酒酵母A81062 × 酿酒酵母eubayanus C12902杂交株 | 更高醇生物合成（埃利希途径） | BAT1 | 支链氨基酸转氨酶 | 催化 | 拷贝数随倍性增加，影响更高醇及相应酯类形成 |
关键发现
- 孢子-孢子交配杂交频率为3.6%，稀有交配平均产生381和4个菌落（对应约7.6×10^-6和1.0×10^-7）。在15°P麦汁中，所有杂交株发酵快于亲本，酒精含量达6.8–6.9%（v/v），而亲本S. cerevisiae A81062和S. eubayanus C12902分别为6.6%和5.7%
- 在25°P麦汁中，异源四倍体Hybrid C4酒精含量最高（10.4%），异源三倍体Hybrid B3为9.8%，异源二倍体Hybrid A2仅5.3%，亲本分别为8.9%和2.6%。Hybrid C4在两种麦汁中均产生最高浓度的风味活性酯，例如15°P下其乙酸异戊酯、辛酸乙酯和癸酸乙酯浓度达到或超过优势亲本，25°P下乙酸酯产量高于任一亲本。基因组测序和qPCR显示ATF1、ATF2、EHT1、EEB1和BAT1基因在更高倍性杂交株中拷贝数更高，且拷贝数与转录水平直接相关。双乙酰峰值在Hybrid C4和Hybrid A2中均约为900 μg/L，但最终啤酒中Hybrid C4为385 μg/L、Hybrid A2为210 μg/L。乙醇耐受试验中，在含5%乙醇的麦汁中Hybrid B3和Hybrid C4的相对CO2损失接近对照（100.4%和94.5%），而Hybrid A2和S. eubayanus亲本仅约59%
- 含10%乙醇时所有菌株发酵均受抑制（22.9%–38.9%）。发酵结束后细胞存活率在15°P下A2为98.5%、B3为87.7%、C4为60.7%，25°P下A2为96.8%、B3为89%、C4为5.9%。絮凝能力方面，A81062为94.0%、C12902为2.6%、C4为58.6%、B3为73.1%、A2为6.2%。
研究结论
种间杂交是一种无需基因改造即可改良和开发啤酒酵母的有效工具，杂种优势可使杂交株在发酵速率和风味活性酯产量上超过亲本；杂交株的生理特性可通过倍性和亚基因组遗传在一定程度上进行调控，酯类形成增加可归因于双亲直系同源基因的联合转录水平及拷贝数效应。