基于代谢组学和转录组学的酿酒酵母降解棒曲霉素的机制研究

It is estimated that around 1/4 of the agriculture products worldwide were contaminated by mycotoxins. Patulin is the major mycotoxin in fruits, and exists widely in grains, nuts, seafoods, fruits and their derived products, bringing high risks to human-beings and animals. Microbial degradation of patulin is considered as one of the most promising approaches to control patulin contamination. However, the mechanism of patulin bio-degradation is still unclear. The aims of this project are to analyze metabolic fingerprint by metabonomics technology, determine whole gene expression through transcriptome approach during patulin degradation by a strain of Saccharomyces cerevisiae; based on the information of genechip, screen candidate genes by bioinformatics analysis, and detect the gene function by gene knockout; combine and analyze all the data comprehensively to understand the metabolic pathway and gene regulation information during the degradation process. By this project, we can reveal the mechanism of patulin degradation by S. cerevisiae, provide theoretical basis and technical support for patulin contamination control in food, and guarantee food safety in our country.

据联合国粮农组织估计，全世界约有25%的农产品被真菌毒素污染。棒曲霉素是水果中最常见的真菌毒素，也广泛存在于谷物、坚果、海制品等食品中，对人类和牲畜的健康带来严重危害。利用微生物降解棒曲霉素被认为是控制棒曲霉素污染的最具潜力的方法之一，然而目前针对降解机理的研究比较匮乏。本项目拟以一株能高效降解棒曲霉的酿酒酵母菌株为研究对象，采用代谢组学技术解析酵母降解棒曲霉素过程中代谢图谱的变化；同时利用转录组学技术对酵母降解过程的全局基因表达情况进行检测，通过生物信息学手段筛选降解棒曲霉素相关的候选基因，并通过基因敲除手段验证基因功能；将转录组学与代谢组学的实验结果进行综合分析，两者相互补充、相互验证，可揭示酿酒酵母降解棒曲霉素过程的代谢通路和基因调控信息。本项目的开展，有助于认识酿酒酵母降解棒曲霉素的相关机制，并为控制食品中棒曲霉素的污染提供理论依据和技术支持，对促进我国食品安全具有积极的作用和意义

真菌毒素污染是世界范围的食品安全问题，并且造成了巨大的经济损失和资源浪费。棒曲霉素是水果中最常见的真菌毒素，也广泛存在于谷物、坚果等食品中，对人类和牲畜的健康带来严重危害。利用微生物降解棒曲霉素被认为是控制棒曲霉素污染的最具潜力的方法之一。通过项目的实施，从酿酒酵母及乳酸菌中筛选得到一株可高效降解棒曲霉素的酿酒酵母S. cerevisiae KD以及乳球菌L. lactis MG1363，对它们降解棒曲霉素的特性及降解机制进行了初探，明确了去除作用包括物理吸附和生物降解，降解棒曲霉素相关的酶为菌株固有的酶，且可通过棒曲霉素的诱导提高菌株对棒曲霉素的降解活性。为进一步探明降解机制，对S. cerevisiae KD降解过程的小分子代谢产物进行定性、定量，并采用RNA-seq比较转录组学技术分析了菌株S. cerevisiae KD降解棒曲霉素过程中基因表达变化情况，棒曲霉素环境下酵母差异基因集中在和细胞生长和死亡、细胞转运、信号传导、转录、基因复制和修复等通路中，而且大部分集中在代谢过程中，包括氨基酸代谢、脂代谢、辅酶和维生素代谢、核酸代谢、碳水化合物代谢等生物过程。将代谢产物变化和基因表达变化情况进行综合分析，可知S. cerevisiae KD对棒曲霉素表现出了明显应答调控，通过代谢调控以维持酵母细胞内的氧化还原平衡、减轻菌体氧化损伤。对L. lactis MG1363降解过程的小分子代谢产物进行定性、定量，掌握代谢产物的动态变化，发现谷氨酰胺、麦芽糖、吡喃葡萄糖等胞内代谢产物发生了显著改变。在探索降解作用机制的基础上，将S. cerevisiae KD和L. lactis MG1363应用到果汁中进行发酵，发现果汁中棒曲霉素的污染得到了完全的控制，而且发酵产品的抗氧化能力及功能性成分得到了显著提高。随着科技的进步、社会的发展，人们的保健意识逐渐增强，对食品安全、健康的要求也越来越高。虽然传统的混合果汁营养丰富，但发酵后的果汁不但去除了真菌毒素棒曲霉素的污染风险，保障食品安全，而且产生了丰富的氨基酸、多酚等多种活性成分，大大提高了果汁的营养附加值，符合当下生命大健康的发展需求。