酿酒酵母菌驯化群体的进化基因组学研究

酿酒酵母(Saccharomyce cerevisiae)是分子生物学等研究领域的常用模式,作为完成全基因组测序的第一种真核生物，也是基因组等组学研究理想模式。该种还是一个广泛应用于民间和工业化酒类与食品生产的经济真菌，存在明确的野生和驯化群体。本项目拟在广泛分离和收集野生、工业及民间驯化菌株的基础上，利用多基因序列分析等群体遗传学研究方法，解析其野生和驯化群体的结构、遗传分化以及不同谱系间的演化关系，识别驯化群体的野生近缘谱系；比较S. cerevisiae不同群体间及与野生近缘种间在发酵及抗逆能力等方面的表型差异；选择野生和驯化谱系及其野生近缘种的代表菌株，进行分子核型、基因组和转录组学研究，以期阐明S. cerevisiae驯化群体在人工选择下发生的表型、基因组及基因表达调控等方面的适应性变异规律，揭示S. cervisiae被选择性驯化的原因及其驯化群体适应不同发酵过程的分子机制。

本项目以酿酒酵母(Saccharomyce cerevisiae)为模式，探讨人工选择下其主要驯化群体发生的表型和基因组变异规律，鉴别重要的适应性基因，揭示驯化群体适应不同工业和民间生产过程的遗传机制。我们首先从原始森林、次生林、人工林和果园等人工干扰程度不同环境分离了1000余株野生S. cerevisiae及其近缘种菌株，从不同工业及民间发酵环境系统分离了2000余株驯养S. cerevisiae菌株。在此基础上，利用群体遗传学和群体基因组学等研究方法，解析了野生和驯养S. cerevisiae及其近缘种的群体结构、遗传分化以及不同谱系间的演化关系，揭示了S. cerevisiae从原始森林、人工林和果园到发酵环境的演化趋势和路径，并为其东亚起源说提供了有力证据。同时，系统比较了S. cerevisiae不同群体间在发酵及抗逆能力等方面的表型差异，发现发面和白酒酿造等驯养菌株具有较快的麦芽糖同化和发酵能力和较高的抗乙醇和高温能力；马奶酒等乳制品发酵驯养菌株具有较快的半乳糖同化和发酵能力，并且解除了葡萄糖抑制作用；腐木和其他森林基物来源的野生菌株则多具有较好的棉子糖利用能力。利用比较基因组学研究方法，进一步揭示了S. cerevisiae 驯化群体在人工选择下发生的基因组及基因表达调控等方面的适应性变异规律，对麦芽糖代谢网络分析显示，面团和谷物发酵菌株的麦芽糖转运酶基因(MALx1)拷贝数增加了1-5倍，解释了这类菌株麦芽糖利用速率提高的主要原因。对乳糖代谢基因网络的分析发现，在乳制品发酵菌株中，葡萄糖阻遏通路中关键阻遏蛋白Mig1p在半乳糖GAL网络相关基因调控区的结合位点，即上游阻遏序列(URS)，发生了单碱基颠换，导致了葡萄糖抑制作用的解除。同时，乳制品发酵群体通过基因渐渗，更新了整套GAL网络结构基因，导致半乳糖利用速率的加快。利用本项目执行过程中分离到的其他酵母菌资源，对啤酒酵母的起源和酿酒酵母野生近缘种的遗传多样性和群体演化也进行了卓有成效的探索，我们的证据表明拉格啤酒酵母菌起源于东亚。