中国酿酒酵母属贝叶斯复合群的群体遗传和基因组学研究

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酿酒酵母贝叶斯复合群或家族(the Saccharomyces bayanus complex)是一个非常复杂的低温适应群体。家族中有两个野生种(S.eubayanus和S.uvarum)和两个工业杂交种(S.bayanus和S.pastorianus)。S.pastorianus被称作拉格啤酒酵母,用于拉格啤酒的酿造。拉格啤酒酿造技术起源于15世纪德国的巴伐利亚,是当今世界酒精饮料生产中最流行的技术。拉格啤酒酵母是一种驯化微生物,由S.cerevisiae与酿酒酵母属贝叶斯家族S.eubayanus的一个谱系杂交而成。欧美学者曾提出拉格啤酒酵母的巴塔哥尼亚起源说。通过自然/野生来源样品的分离与鉴定,我们共获得1278株酿酒酵母属菌株,其中S.eubayanus(359株),S.uvarum(63株)。贝叶斯家族菌株与酿酒酵母属其它物种明显不同,主要分布在青藏高原及周边的高海拔地区(2000-4000米)。我们挑选了37株代表菌株进行了多基因系统发育、群体结构、表型、染色体核型、生殖隔离以及染色体倍性等一系列分析。青藏高原的贝叶斯家族菌株有两个物种S.eubayanus和S.uvarum。前者包括Tibet/Lager、West China以及Sichuan三个谱系。不同谱系的染色体核型、表型差异很大,生殖隔离程度也很大。  本研究通过系统发育分析发现,S.eubayanus西藏菌株相较于南美菌株与拉格啤酒酵母非S.cerevisiae那部分基因组的亲缘关系更近,因此我们提出了拉格啤酒酵母的亚洲起源说。我们还发现,拉格啤酒酵母与西藏菌株共同拥有的4个独特基因(GAL2、COX2、MALx2和MALx1-2)相似性很高都与南美菌株有很大的差异。除此之外,欧亚同处一个大陆,欧亚之间通过丝绸之路开展的贸易比欧美间的跨大西洋贸易早1500多年。可见无论从遗传角度还是从历史地理的角度,拉格啤酒酵母起源于S.eubayanus的一个西藏谱系的说法更可靠。挑选出14个代表菌株进行基因组重测序分析。基于1036749个全基因组SNPs的系统发育分析,群体结构分析以及PCA分析的结果与多基因分析结果基本类似。通过连锁不平衡分析,我们发现S.uvarum在进化的历史中有可能经历过瓶颈事件。除此之外,我们在S.eubayanus Tibet/Lager和West China谱系的两株菌之间观测到了基因渗入事件。同时我们发现四个谱系的线粒体COX2在整个家族分化的早期和近期都发生过重组事件,从而导致COX2的系统发育结构重新洗牌。通过76个基因家族,我们估算了贝叶斯家族的分化时间大概是(2.54-54.37Ma)。这一时期与青藏高原一个非常重要的复杂地质变化年代处于同一时期,有理由相信青藏高原的地质变化很有可能是贝叶斯家族分化的原因之一。根据正向选择基因分析,我们预测贝叶斯家族的分化经历了三个阶段:a)贝叶斯家族祖先从酿酒酵母属内分化出来;b)S.eubayanus祖先和S.uvarum祖先的分化;c)S.eubayanus和S.uvarum的不同谱系分化。最终呈现出来的就是青藏高原的贝叶斯家族不同谱系多种多样的表型。表型的变化是基因变异的结果,而功能基因实际表达量及表达模式的变化也是影响表型的重要因素。我们通过构建表达载体验证了基因功能以及通过不同温度培养下的RNA-seq分析确定了待测基因的差异表达情况。综合上述结果,我们发现贝叶斯家族的四个谱系都保有利用麦芽汁的潜力,但只有S.uvarum的麦芽糖代谢相关基因高效表达,因此也只有它可以利用麦芽糖。同时,我们预测的正选择基因PIN3、YRO2等与温度适应相关的基因在实际测试中表现为低温上调。这些基因很有可能是贝叶斯家族适应低温的关键基因,但未来仍需大量的分子遗传证据来支持。
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