微生物所揭示驯养酵母菌的起源和适应性进化机制

微生物研究所 2018/7/23 9:45:15
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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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。