Key role of lipid management in nitrogen and aroma metabolism in an evolved wine yeast strain
- 作者
- Stephanie Rollero, Jean-Roch Mouret, Isabelle Sanchez, Carole Camarasa, Anne Ortiz-Julien, Jean-Marie Sablayrolles, Sylvie Dequin
- 单位
- INRA, UMR1083, 34060 Montpellier, France; SupAgro, UMR1083, 34060 Montpellier, France; Universite Montpellier, UMR1083, 34060 Montpellier, France; Lallemand SAS, 31700 Blagnac, France
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2017）
- DOI
- 10.1186/s12934-016-0434-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析经适应性进化得到的葡萄酒酵母菌株Affinity™ ECA5相对于祖先菌株Lalvin EC1118®在氮代谢和香气代谢方面的代谢重塑机制，尤其是脂质管理对乙酸酯生物合成的影响。
研究策略
结合在线监测发酵过程中香气产生动力学、氮源消耗动力学、转录组分析以及PCA、MFA、sPLS-DA等多变量统计方法，比较进化菌株与祖先菌株在不同氮和植物甾醇条件下的代谢差异。
核心内容
该研究以适应性进化的葡萄酒酵母菌株Affinity™ ECA5及其祖先菌株Lalvin EC1118®为对象，通过在线GC系统动态监测香气产生与氮源消耗，结合转录组和多变量统计分析，解析了进化菌株在氮代谢与香气代谢中的重塑机制。结果显示，进化菌株在不同氮（70–330 mg/L）和植物甾醇（2–8 mg/L）条件下系统性过量产生高级醇和乙酸酯，其脂质含量为干重的4.47%，约为祖先菌株（1.73%）的2.5倍。在高温低甾醇条件下，乙酸酯转化率最高，如异戊基乙酸酯/异戊醇转化率在第二阶段达6.51×10⁻² mg/mg，而外源添加甾醇会使进化菌株的转化率逐次减半，对祖先菌株无影响。转录组分析表明，进化菌株中甾醇生物合成基因下调，MEP2和GAP1过表达，而ATF1/ATF2表达无变化。这说明进化菌株通过改变脂质管理和氮分解代谢物阻遏调控，增加乙酰-CoA可用性来促进乙酸酯合成。
创新点
利用在线GC系统实时监测香气产生并进行气液平衡计算，将转录组与动态表型数据整合，揭示进化菌株通过抑制甾醇生物合成相关基因而非增强ATF1/ATF2表达来促进乙酸酯生成的新机制。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 氮代谢（NCR调控） | MEP2 | Mep2p | 转运 | 铵转运蛋白，在进化菌株中过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 氮代谢（NCR调控） | GAP1 | Gap1p | 转运 | 通用氨基酸通透酶，在进化菌株中过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酸酯合成 | ATF1 | Atf1p | 催化 | 醇乙酰转移酶，负责高级醇转化为乙酸酯，表达未变化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酸酯合成 | ATF2 | Atf2p | 催化 | 醇乙酰转移酶同工酶，表达未变化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酰-CoA代谢 | ALD4 | Ald4p | 催化 | 乙醛脱氢酶，进化菌株中差异表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酰-CoA代谢 | ALD6 | Ald6p | 催化 | 乙醛脱氢酶，进化菌株中差异表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酰-CoA代谢 | ACS1 | Acs1p | 催化 | 乙酰-CoA合成酶，进化菌株中差异表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酰-CoA代谢 | ACS2 | Acs2p | 催化 | 乙酰-CoA合成酶，进化菌株中差异表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇生物合成 | — | — | 催化 | 甾醇生物合成相关基因在进化菌株中下调（具体基因未列出） |
| Saccharomyces cerevisiae | 氨基酸生物合成 | ARG1 | Arg1p | 催化 | 精氨酸生物合成基因，进化菌株中过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 氨基酸生物合成 | ARG3 | Arg3p | 催化 | 精氨酸生物合成基因，进化菌株中过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 氨基酸生物合成 | ARG7 | Arg7p | 催化 | 精氨酸生物合成基因，进化菌株中过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 氨基酸生物合成 | ARG8 | Arg8p | 催化 | 精氨酸生物合成基因，进化菌株中过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 氨基酸生物合成 | CPA2 | Cpa2p | 催化 | 精氨酸生物合成基因，进化菌株中过表达 |
关键发现
- 进化菌株Affinity™ ECA5相对于祖先菌株Lalvin EC1118®，在不同氮（70–330 mg/L）和植物甾醇（2–8 mg/L）条件下系统性过量产生高级醇（除丙醇外）和乙酸酯
- 其脂质含量为干重的4.47%，是祖先菌株（1.73%）的2.5倍。最高乙酸酯转化率出现在高氮（330 mg/L）低甾醇（2 mg/L）条件下，例如Lalvin EC1118的异丁基乙酸酯/异丁醇转化率为2.55×10^-2 mg/mg，Affinity ECA5的异戊基乙酸酯/异戊醇转化率在第二阶段达6.51×10^-2 mg/mg。向发酵中添加8 mg/L植物甾醇会使进化菌株的转化率每次减半（依次为0.0689、0.0367、0.0696、0.0351，R²>0.95），而对祖先菌株无影响（转化率恒为0.0241）。转录组分析显示，进化菌株中甾醇生物合成相关基因下调，MEP2和GAP1过表达，而ATF1/ATF2表达无变化。PCA前两轴解释了78.4%的总变异
- sPLS-DA选取500个基因，前两维解释93%的变异。
研究结论
进化菌株Affinity™ ECA5通过改变氮代谢（NCR调控）和脂质管理，特别是增加乙酰-CoA的可用性，从而增强高级醇向乙酸酯的转化，导致香气过量产生。