“佛系”酵母的大智慧

葡萄糖抑制(glucose
repression)是存在于大多数微生物中的一个中心调控系统,借此抑制其他碳源的代谢途径,保证以最经济和高效的方式优先利用能效最高的碳源葡萄糖。葡萄糖抑制机制在酵母菌的不同谱系中独立进化并逐渐加强,最终在酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae
)中趋于完善。在S.
cerevisiae
中,极低的葡萄糖浓度即可诱发抑制效应。通过这一机制,S.
cerevisiae
在通常以葡萄糖为优势碳源的自然和人工发酵环境中获得了竞争优势,成为优势种群。

葡萄糖是能效最高的单糖,微生物对它“情有独钟”。在葡萄糖存在的情况下,微生物就不爱“吃”其他的糖类,而优先代谢葡萄糖。这种微生物特有的本领叫作“葡萄糖抑制”。

酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae
)在全世界范围内被广泛应用于酒类酿造和食品发酵等行业,其被人类利用的历史已有近万年,对人类文明的发展做出了重要贡献,因此被称为“第一种家养微生物”。酿酒酵母也是一种在遗传学、分子生物学、基因组学和进化生物学等领域被广泛应用的模式生物。对该种酵母菌起源与演化的研究也一直是一个热点领域。

在马奶酒、开菲尔酸奶和其他传统发酵乳制品的自然发酵过程中,S.
cerevisiae
也是优势种群之一。从中分离出的S.
cerevisiae
菌株形成了一个与葡萄酒发酵菌株近缘的独立谱系,称为马奶酒谱系。然而,S.
cerevisiae
并不能利用奶中的主要碳源乳糖,只能靠利用其他微生物将乳糖降解后产生的葡萄糖和半乳糖而生存。在自然发酵乳制品中,存在多种微生物,在大多数微生物都存在葡萄糖抑制效应的情况下,当乳糖被降解为等量的葡萄糖和半乳糖后,都会优先争抢葡萄糖,而半乳糖则被暂时闲置。如果反过来,避开对葡萄糖的激烈竞争,优先利用半乳糖,建立起生长优势后再参与对葡萄糖的争夺,对不能直接利用乳糖的微生物来说,无疑是一个非常有利的生存策略。

近期,中科院微生物所真菌学国家重点实验室研究员白逢彦领导的团队在研究酿酒酵母时,发现有一种马奶酒酵母放弃了这项“绝活”。他们发现并证实这种酵母出现了“返祖”现象,它获得生存竞争优势的策略也不同寻常。该成果日前在线发表于《现代生物学》。

中国科学院微生物研究所白逢彦研究团队前期对野生酵母菌生物多样性和群体遗传学的研究结果已证明:酿酒酵母菌起源于中国或东亚,并得到了国外多个实验室研究结果的支持。但其驯养群体的起源地,即酵母菌最先在哪里被人类利用,不同地区、不同发酵食品中的驯养酵母菌群体是独立起源的,还是源自同一个驯养事件,尚有待进一步阐明。

中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室白逢彦研究组发现,S.
cerevisiae
的马奶酒谱系确实实现了这一聪明的竞争策略。对其分子机制的研究结果表明,马奶酒谱系菌株通过半乳糖(GAL)代谢网络调控元件的一系列协同变异,完全解除了葡萄糖抑制效应,并将GAL网络从一个诱导型转变为一个组成型表达网络。同时,通过基因渐渗,将GAL网络中的所有结构基因(GAL2GAL7-10-1基因簇)回复为进化过程中的早期版本,且将GAL2的拷贝数倍增。而葡萄糖转运蛋白基因HXT6HXT7却被删除或失去表达能力,其功能自然被分化程度尚低、仍保留较强葡萄糖转运能力的老版本GAL2所替代。借此,马奶酒菌株实现了即时、快速和优先利用半乳糖,并可同时利用葡萄糖的目的。

一种不走寻常路的酵母

针对这一问题,白逢彦团队从全国范围内系统分离、收集了大量来自不同发酵食品的酿酒酵母菌株,结合已有和新分离的野生菌株,选择了代表不同地理、生态环境和发酵食品类型的266株酿酒酵母菌株进行了高质量基因组重测序,并整合了此前国际上发表的287株酿酒酵母菌株的基因组数据,进行了群体基因组、系统发育基因组和比较基因组学分析,全面揭示了酿酒酵母菌野生和驯养群体的遗传多样性、起源地和演化历史。同时,结合生理生化性状、发酵能力和抗逆性能等表型性状测定以及基因组变异分析,阐明了人工选择所导致的驯养群体发酵和抗逆性能提高的分子机制。

该项研究还发现,在马奶酒酵母菌株中,GAL2的表达需要GAL7GAL10任一基因的产物,而Gal2p的转运功能则需要Gal1p的参与。这是GAL结构基因之间具有相互作用的首次发现。显然,来自同一物种的协同进化的GAL结构基因之间可进行最有效的互作。这也解释了马奶酒酵母菌株为何要从同一个古老物种中同时置换所有GAL结构基因,尽管GAL2GAL7-10-1基因簇位于不同的染色体上。

距今1.5亿~1.25亿年,由于有花植物的大量出现,微生物开始通过有氧发酵快速高效地利用前者花蜜和果实中提供的大量糖类。在众多糖类中,葡萄糖能效最高,因此哪种微生物能更高效地吸收葡萄糖,通常它就具备了更强的生存优势。

群体和系统发育基因组学分析结果表明,与世界其他国家和地区相比,中国野生酿酒酵母菌的遗传多样性最高,包括9个独有的野生谱系,分布于神农架、秦岭和海南等原始森林中的群体,属于全球最原始的野生谱系,进一步证实中国是酿酒酵母菌的起源地。从中国驯养酵母菌中共识别出了12个新谱系,分属于固态和液体发酵两大分支。固态发酵分支包括白酒、黄酒和青稞酒谱系以及来自不同省份的7个馒头谱系。液态发酵分支包括马奶酒和活性干酵母谱系。将国外酿酒酵母菌株加入后,进一步巩固和加强了固、液态发酵两大分支的分化。日本清酒菌株在黄酒谱系中形成了一个亚分支,显示清酒菌株可能源于黄酒菌株,而国外葡萄酒和啤酒谱系则属于液态发酵分支。分自中国新疆葡萄和宁夏果园的野生菌株,聚在葡萄酒谱系中,说明中国西部可能是葡萄酒谱系的起源地。在整体上,中国驯养酵母菌的遗传多样性远高于世界其他地区,说明中国/东亚也可能是驯养酵母菌的起源中心。

这一研究展示了一个因生态适应而发生的基因网络逆向进化的典型案例,通过这一逆向进化,S.
cerevisiae
的马奶酒谱系在自然发酵乳环境中获得了竞争优势。该研究还发现了GAL网络中一个新的调控层面,为研究这一经典模式网络中的基因调控机制提出了新的课题。同时,这项研究结果还为构建避免葡萄糖抑制效应,以便同时高效利用不同碳源的酵母细胞工厂或工程菌,提供了新的策略。

在这种情况下,葡萄糖抑制机制应运而生。很多微生物宁肯抑制对其他糖类的代谢能力,也要“挤破头”地争夺葡萄糖。

系统发育基因组学分析发现野生和驯养酿酒酵母群体清楚地分化开来,后者形成了一个单元类群,且遗传多样性远低于野生群体,说明驯养群体可能是单起源的。比较基因组学分析发现,几乎所有野生菌株均是纯合体,而驯养菌株均是杂合体;绝大部分野生菌株均不能利用麦芽糖,而几乎所有驯养菌株,包括生长环境中不含麦芽糖的菌株,如葡萄酒和马奶酒菌株,均可以高效利用麦芽糖,并统一伴随着麦芽糖转运蛋白基因和其他麦芽糖代谢基因的扩增;有些基因在所有野生菌株中均存在,而在几乎所有驯养菌株中均丢失。上述现象均支持驯养酵母菌群体的单元起源论。根据这些研究结果推测,驯养酿酒酵母群体可能起源于一个由不同野生菌株杂交而成的杂合体祖先,最初是为了适应富含麦芽糖的发酵环境,并获得了杂交优势。

这一工作已以Reverse Evolution of a Classic Gene Network in Yeast Offers
a Competitive Advantage
为题在线发表于Current Biology
期刊,微生物所助理研究员段守富为第一作者,研究员白逢彦为通讯作者。这一研究得到国家自然科学基金委员会“微进化”重大研究计划项目、面上项目和国际合作项目,以及中科院前沿科学重点研究项目的资助,内蒙古农业大学教授张和平给予了马奶酒酵母菌株支持。

然而,白逢彦等人在研究马奶酒酵母时,意外地发现这种酵母很独特。在葡萄糖和半乳糖同时存在的培养基中,与其他菌株优先利用葡萄糖,等葡萄糖完全耗尽后,经过一段时间的延滞期再开始利用半乳糖的现象相反,马奶酒菌株在生长起始期就优先利用半乳糖,然后同时利用这两种糖进行生长。

基因拷贝数变异分析发现了225个基因在野生和驯养群体或不同谱系之间存在显著差异。许多与抗逆性相关的基因在驯养谱系中普遍发生了扩增;除了麦芽糖转运蛋白基因外,其他糖分转运蛋白及相关基因,也在驯养群体中发生了扩增。而另一些基因,如絮凝相关基因,却在驯养谱系中普遍发生了删减。不同谱系中还存在谱系特性基因拷贝数变异,最明显的是在马奶酒谱系中,发生了包括半乳糖转运蛋白基因在内的5个已知功能基因和20余个未知功能基因的扩增。马奶酒谱系还通过基因横向转移或基因渐渗等途径获得了一些外源基因,包括半乳糖代谢网络中的所有结构基因。这些基因组上的变异引起了相应的表型变异,与野生菌株相比,驯养酿酒酵母菌株除了具有高效麦芽糖利用能力外,还具有较强的抗高温和抗高浓度乙醇等的抗逆能力,而马奶酒谱系则具有较高的半乳糖利用速率。

论文链接

“这一奇怪现象让我们下意识地思考,是不是半乳糖相对于葡萄糖有什么优势呢?”文章第一作者、中科院微生物所助理研究员段守富说。

简而言之,白逢彦研究团队通过对一批全面反映酿酒酵母菌这一物种遗传多样性的野生和驯养菌株的基因组和表型分析,揭示了中国不仅是酿酒酵母菌野生群体发源地,也是其驯养群体的起源中心,所有驯养群体可能起源于一个由野生菌株杂交而成,并获得了高效麦芽糖发酵能力的祖先,随后分化为固态和液态发酵两大分支,并通过基因扩增、删减、横向转移和基因渐渗等方式,发生了显著的基因组变异,从而实现了发酵和抗逆能力的提高以及对不同发酵环境的适应性进化。

图片 1

但很明显,这是一个死胡同,因为葡萄糖是公认能效最高的单糖。凭借对微生物糖酵解以及酵母菌进化的丰富了解,白逢彦认为应该在这种酵母体内找原因。他们随即将研究方向集中在马奶酒酵母体内半乳糖代谢基因网络的变化上。

这一工作已以The Origin and Adaptive Evolution of Domesticated
Populations of Yeast from Far East Asia

为题发表于《自然-通讯》(Nature
Communications
)期刊,微生物所博士研究生段守富为第一作者,研究员白逢彦为通讯作者。这一研究得到了国家自然科学基金委员会“微进化”重大研究计划项目、面上项目和国际合作项目,以及中科院前沿科学重点研究项目的资助。内蒙古农业大学教授张和平给予了马奶酒菌株支持,美国密歇根大学教授Timothy
James在论文写作等方面给予了宝贵建议。

图1. RNA-seq揭示S.
cerevisiae
不同谱系菌株在葡萄糖培养基中的基因表达情况比较

自废“武功”

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