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2024-07-29 作者:

30 微生物学杂志 2015年2月第35卷第1期JOURNAL OF MICROBIOLOGY Feb.2015 Vo1.35 No.1 不同等位HXT3基因对酿酒酵母EClll8发酵特性的影响 赵文英,贾万利,高 莉,王蕊欣 (中北大学化工与环境学院,山西太原030051) 摘要葡萄酒酿酒酵母果糖利用能力与酒精发酵中止和发酵不彻底密切相关,其果糖利用分子机制的研究 备受关注。以高果糖利用葡萄酒酿酒酵母茵EC1118为试验材料,利用重组技术获得了HXT3基因敲除茵,通 过酶切和基因测序鉴定,首次发现EC1118具有2个不同的HXT3等位基因,并研究了不同HXT3等位基因缺 失对茵体发酵过程中葡萄糖、果糖利用的影响。结果表明,突变的HXT3一champ基因对保证茵体发酵后期高果 糖利用能力起到了重要的作用,对筛选和构建高果糖利用优良葡萄酒酿酒酵母研究具有重要指导意义。 关键词葡萄酒;酿酒酵母;EC1118;果糖;HXT3 Q78 文献标识码A 文章编号1005—7021(2015)01—0030一O5 中图分类号doi:10.3969/j.issn.1005—7021.2015.01.006 Eflfects of Different HXT3 Alleles on Fermentation Traits of Saccharomyces cerevisiae EC1 1 18 ZHAO Wen—ying,JIA Wan—li,GAO Li,WANG Rui—xin (Col1.ofChem.Engin.&Environt,NoAh Uni.ofChina,Taiyuan,Shanxi 030051) Abstract Fructose utilization capability of wine Saccharomyces cerevisiae is closely related to the discontinuance of and/or unsheerness of alcohol fermentation,therefore,study on molecular mechanism of its fuctose utrilization is of a great interest among researchers.In this study a high fructose utilization wine S.cerevisiae EC1 l 18 was used as the experiment material,an HXT3 gene knock—eliminating strain was obtained using recombination technology,it was found that there were two different HXT3 elleles in EC1 1 18.The effects of the deletion of HXT3 on the utilization of glucose and fructose during the yeast’S fermentation were studied.The results showed that,a mutated HXT3-champ gene had played important role on proving the yeast to utilize high fructose during late phase of fermentation.The re— suits possessed a guiding significance for studying on screening and constuctring ifne wine yeast with hi【gh fuctose utri- lization. Keywords fuctose utirlization;wine Saccharomyces cerevisiae;HXT3 allele;fermentation trait 酿酒酵母(Saccharomyces cerev ̄iae)常常被筛 选作为葡萄酒酒精发酵菌种…。葡萄浆汁中葡萄 酒酵母利用葡萄糖的能力通常比利用果糖的能力 强 。有研究表明,酿酒酵母的低果糖利用能力 明Hxtl-7p是酿酒酵母中发挥主要作用的转运蛋 白,对发酵条件下的葡萄糖和果糖的利用非常重 程中最稳定、最重要的转运体。。剖。酿酒酵母 糖和果糖含量基本相等,但在酒精发酵过程中,酿 要 ’ 。其中Hxt3p蛋白被认为是葡萄酒发酵过 FERMICHAMP通常能使葡萄酒发酵至干,具有较 与发酵后期低发酵速率和发酵不彻底密切相 强的果糖利用能力 l9 J。通过分析该菌体HXT己 关 。葡萄酒酿酒酵母葡萄糖和果糖利用差异 糖转运体的基因,发现该酵母菌具有突变的HXT3 的分子基础研究是人们一直关注的问题。研究表 等位基因。EC1 1 18也是常用的葡萄酒商业酿酒 基金项目:山西省回国留学人员科研资助项目(2013 ̄88);山西省青年科技研究基金(2012021027-3) 作者简介:赵文英女,博士,副教授。研究方向为葡萄酒微生物。E—marl:zzrlzwy2@163.con 收稿13期:2014 ̄3—19;修回日期:2014-04—19 1期 赵文英等:不同等位HXT3基因对酿酒酵母EC1118发酵特性的影响 31 酵母菌,与其他酿酒酵母菌相比,虽然产香特性较 有限公司。 差,但具有较高的果糖发酵能力,通常能使葡萄酒 1.1.2 培养基 YPD培养基(g/L):葡萄糖20, 发酵至干,也能成功进行二次发酵接种,而且在前 酵母浸提物10,蛋白胨2O。 期试验中也证实EC1 1 18是具有高果糖利用能力 1.1.3 引物 根据GenBank中报道的酿酒酵母 的葡萄酒酿酒酵母¨ 。因此本研究以EC1118为 HXT3的YDR345C基因序列,设计一对同源臂片 试验材料,以探求其高果糖利用能力的分子基础。 段扩增引物P1和P2,用于以BY4743Ahxt3敲除 1 材料与方法 菌为模板,PCR扩增出含有KanMX基因的片段。 在酿酒酵母染色体HXT3基因同源重组区域外侧 1.1材料 和KanMX基因内部,设计引物P3、P4,P5、P6用于 1.1.1 菌株葡萄酒商业用酿酒酵母EC1118, 检测重组菌株,即KanMX基因置换HXT3基因。 由新西兰奥克兰大学提供;BY4743Ahxt3敲除菌, 设计引物P7、P8,扩增HXT3等位基因片段,用于 包含有KanMX基因片段,购自上海青兰生物科技 酶切和测序(见表1)。 表1实验所需引物 Table 1 The experiment required primer list 1.1.4 主要试剂TaqDNA聚合酶、限制性内 G418的YPD培养基上,28℃培养3—5 d,以筛选 切酶Rsa I购于北京博迈德科技有限公司;PCR ECl l 18Ahxt3敲除菌。挑选上述培养基上长出的数 引物由北京博迈德科技有限公司合成;1 kb Mark- 个单菌落,提取基因组,通过引物P3、P4、P5、P6进 er为Fermentas公司产品;DNA片段纯化试剂盒、 行重组鉴定,获得EC1118Ahxt3敲除菌。 酵母基因组DNA提取试剂盒购于北京田恩泽基 1.2.3 EC1118Ahxt3敲除茵中等位HXT3基因 因科技有限公司;G418购于北京索莱宝公司;蛋 鉴别 以数个EC1118Ahxt3敲除菌为出发菌,以 白胨、酵母粉为Oxoid公司产品;其余试剂均为国 P7、P8为引物,扩增另一个等位HXT3片段。根 产分析纯。 据GenBank中¥288cHXT3和FermichampHXT3 1.2方法 序列差异,设计和选用RsaI内切酶对PCR扩增产 1.2.1 酵母细胞培养、基因组提取和PCR将酵 物通过酶切处理、电泳以区分PCR扩增产物 母菌EC1118接人YPD培养基中,28℃、180 r/ HXT3基因的类型,并对扩增片段进行基因测序。 min摇床震荡过夜培养。酿酒酵母培养物于YPD 1.2.4发酵试验 将过夜培养的EC1118酵母 琼脂培养基上进行划线培养以检测纯度并获得单 菌及其不同等位基因敲除菌体,以1×10。个细 菌落,并利用试剂盒进行酵母基因组DNA的提 胞/mL的接种密度,接人8 mL模拟葡萄汁培养液 取。以BY4743Ahxt3敲除菌为模板,P1、P2为引 中。将发酵管于l8 oC,130 r/min摇床培养,以提 物,进行PCR扩增,产物为具有HXT3同源臂片 供充足的氧气。每日通过称量发酵管的重量,以 段的KanMX基因片段。 跟踪发酵情况。同时吸取l0 L发酵液置于PCR 1.2.2敲除酵母茵EClll8的HXT3基因利用 管中,并直接加入90 蒸馏水,稀释1O倍后,于 LiAc/SS载体DNA/PEG高效酵母转化方法进行同 10~2O℃条件下冷冻保藏,以备测定葡萄糖、果 源重组基因置换。同源重组后,通过涂布在含有 糖浓度。每组发酵试验做3个重复,重量损失取 1期 赵文英等:不同等位HXT3基因对酿酒酵母EC1118发酵特性的影响 33 champ菌的发酵情况明显有别于前两者。 ECl1l8△hxt3-champ菌前期启动发酵较早,发酵速 率较快,但后期发酵明显不足;EC1118Ahxt3一normal 菌前期发酵速率低,但发酵后期仍能保持强劲发酵。 1.O ∞0.8 0.6 坷硎0.4 O.2 O.0 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 t/d 图3 EClll8HXT3等位基因敲除菌的发酵曲线 Fig;3 Fermentation profiles of diferent HXT3 加 ∞alleles del踟 ∞ ∞eted strains加 from EC1O  1 18 2.5葡萄糖、果糖的测定曲线 为探寻不同HXT3等位基因对单糖利用的 影响,对各菌葡萄糖和果糖的利用情况进行连 续测定。由图4、5可知,葡萄糖的消耗速率 明显大于果糖的利用速率。在迅速生长期,具 有HXT3一normal基因的EC1118Ahxt3.champ菌 葡萄糖的消耗速率高,而具有HXT3.champ基 因EC1118Ahxt3.normal菌和EC1118菌,葡萄 糖的消耗速率接近,并低于EC11 18Ahxt3一 champ菌;在发酵后期,具有HXT3.normal基 因的EC1118Ahxt3一champ菌果糖利用能力明显 变弱,EC1118Ahxt3一normal菌和EC1118果糖 利用能力基本相同,且明显强于EC1 1 18Ahxt3- champ菌,并能基本做到果糖的彻底利用。这 说明如果EC1118菌中只保留了HXT3一normal 基因,则具有强烈的葡萄糖偏好性,尤其在发 酵后期果糖利用能力低。而只保留了突变的 HXT3.champ基因的菌体,则可增强菌体发酵 后期对果糖的利用能力。而EC1118由于发酵 情况接近于EC1118Ahxt3一normal菌,因此可推 测EC1118菌在发酵过程中主要启动了HXT3一 champ基因的表达。由此可见,该突变的 HXT3.champ基因对保证菌体彻底发酵起到重 要的作用。 =.、 、一 二 爨 搬 {I蕃 、√ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t/d 图4 EClll8HXT3等位基因敲除菌 的葡萄糖利用曲线 Fig.4 Glucose changes during fermentation of diferent HX1 a】】eleS deleted strains from ECl】】8 岛 一 、 ~ 磬 、 图5 EClll8HXT3等位基因敲除菌的果糖利用曲线 Fig.5 Fructose changes during fermentation of diferent HXT3 alleles deleted strains from EC1 1 18 3 讨 论 ECI118是具有较高果糖利用能力的杂合菌, 本研究以ECll18为试材,利用重组技术敲除 HXT3基因,敲除菌的鉴定结果首次发现EC1118 具有2个不同的HXT3等位基因。其中的一个等 位基因与实验室酵母菌S288cHXT3序列一致,称 为HXT3.normal等位基因;另一个等位基因与葡萄 酒商业酿酒酵母菌FERMICHAMP中发现的突变 的HXT3序列一致,称为HXT3-champ等位基因。 酿酒酵母FERMICHAMP通常能使葡萄酒发 酵至干,具有较强的果糖利用能力 。通过分 析该菌体HXT己糖转运体的基因,发现该酵母菌 具有突变的HXT3基因。通过在hxtl_7△全缺陷 菌体中的表达该HXT3突变基因,发现该基因具 有高果糖的利用能力。推测该基因对FER- MICHAMP发酵过程中的葡萄糖/果糖比值变化 34 微生物学杂志 35卷 起着重要作用 J。Novo等 在EC1118基因测 序过程中并没有提到EC1118中HXT3基因的特 殊性。 本研究不仅首次发现EC1118具有2个不同 的HXT3等位基因,且研究了不同HXT3等位基 因缺失对菌体发酵过程中葡萄糖、果糖利用的影 响。结果表明,EC1118中HXT3一normal等位基因 的缺失,对EC1118的发酵没有明显影响,只是发 酵启动略慢些;而EC1118中HXT3.champ等位基 因的缺失,会造成发酵后期动力不足,尤其在发酵 后期果糖利用能力低;而只保留了突变的HXT3一 champ基因的菌体,则具有菌体发酵后期高果糖 的利用能力,而EC1118由于发酵情况接近于 EC1 1 18Ahxt3一normal菌,因此可推测EC1 1 18菌在 发酵过程中主要启动了HXT3.champ基因的表 达。由此可见,该突变的HXT3一champ基因对保 证菌体彻底发酵起到了重要的作用。 Novo等 在EC1118中鉴定出了FSY1基 因,该基因与巴斯德酵母(Saccharomyces pastoria— nus)中的果糖转运体FsylP的基因序列具有同源 性。Galeote等¨ 认为通过菌种问水平基因转移 获得的FSY1对EC1118的高果糖利用能力可能 有贡献。利用hxt1.7A全缺陷的菌体来表达该基 因后,结果表明,FSY1对果糖具有高亲和性,且乙 醇可诱导其表达。Lin等 在分析有氧发酵酵母 和有氧呼吸酵母的转运蛋白基因组成时,发现己 糖转运蛋白基因拷贝数与有氧发酵强度具有强烈 正相关性,即转运蛋白基因拷贝数的增加有助于 酿酒酵母向有氧发酵方向进化。后续研究中,将 通过敲除EC1118中的FSY1基因,在保证基因背 景一致的前提下,探讨I]'XT3.champ基因和FSY1 基因在菌体发酵后期对果糖利用影响的差异。 参考文献: +I ,[1]Dumont A,Raynal C,Raginel F,et a1.The ability of wine yeast to consume fructose[J].Australian and New Zealand grapegrower and winemaker,2009,543:52-57. 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本文标签: 不同等位HXT3基因对酿酒酵母EC1118发酵特性的影响