酿酒酵母与葡萄汁有孢汉逊酵母相互作用的转录组学研究

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采用发酵能力强的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae,SC)与产芳香物质丰富的非酿酒酵母进行混合发酵可以改善葡萄酒的风味与品质。葡萄汁有孢汉逊酵母(Hanseniaspora uvarum,HU)是葡萄汁中主要的非酿酒酵母之一,能产生丰富的芳香化合物、高产甘油且低产挥发酸,有助于提高葡萄酒风味与品质。然而,HU与SC混合发酵时通常会受到抑制,这会阻碍HU对葡萄酒风味与品质的改善作用。混合发酵中酵母间存在复杂的相互作用,但其分子机制尚不清楚。本研究中在对SC与HU的相互作用进行初步探究的基础上,建立一种隔离发酵装置使两种酵母由半透膜隔离但处于相同的培养基中发酵。采用RNA-seq技术分别对隔离发酵和混合发酵中的SC与HU进行转录组分析,以揭示酵母相互作用的分子机理。研究结果将为解决混合发酵中HU的早期死亡问题提供理论依据。本研究的主要结果如下:1酿酒酵母与葡萄汁有孢汉逊酵母的相互作用初探及隔离发酵装置的建立优化培养方式(厌氧与好氧)的结果显示厌氧条件下HU单发酵时生长良好而与SC混合发酵时则被抑制,因此厌氧培养方式适合用于两种酵母的互作研究。监测厌氧混合发酵过程的结果显示发酵24 h时HU的抑制现象初现,且抑制程度逐渐增大,72 h时HU的细胞数量显著低于SC细胞数量,确定24 h(T1)和72 h(T2)为两种酵母相互作用转录组分析的取样点。通过优化不同半透膜孔径的透析袋和Transwell细胞小室的隔离发酵装置,结果显示1000 kDa透析袋建立的隔离发酵装置具有最佳隔离效果和抑制现象,可对两种酵母分别进行隔离发酵转录组分析。2酿酒酵母与葡萄汁有孢汉逊酵母隔离发酵的转录组分析以发酵24 h(T1)和72 h(T2)为取样时间点,以单发酵为对照,对隔离发酵中的SC和HU分别进行差异表达基因分析,并基于差异表达基因进行酵母互作的机制分析。结果显示:隔离发酵时,T1和T2时刻SC的氧化应激与损伤修复、能量代谢相关基因上调表达,T1时刻SC的己糖转运、糖原生物合成与分解相关基因上调表达,且T2时刻SC的糖代谢、有性繁殖和絮凝相关基因也上调表达,但T1和T2时刻SC的氨基酸转运和硫代谢相关基因则下调表达。然而,T1和T2时刻HU的氧化应激与损伤修复相关基因未见上调表达,且T1和T2时刻HU的絮凝下调表达,T2时刻HU的己糖转运、糖代谢、有性繁殖和硫代谢相关基因也下调表达,而T1时刻HU的氨基酸转运与硫代谢相关基因则上调表达。由此看出,隔离发酵相互作用时,SC可能通过增强氧化应激与损伤修复、糖代谢、有性繁殖和絮凝相关基因的表达进行自我保护,而HU可能未采取相关自我保护机制。SC与HU样本的35个互作机制关键基因的qPCR验证结果与RNA-seq数据具有较高的一致性,这表明转录组数据可靠性高。3酿酒酵母与葡萄汁有孢汉逊酵母混合发酵的转录组分析以发酵24 h(T1)和72 h(T2)为取样时间点,以单发酵为对照,对混合发酵中的SC和HU分别进行差异表达基因分析,并基于差异表达基因进行酵母互作的机制分析。结果显示:混合发酵时,T1和T2时刻SC的氧化应激与损伤修复和有性繁殖相关基因上调表达,T1时刻SC的麦角甾醇生物合成相关基因上调表达,且T2时刻SC的己糖转运、糖原生物合成、硫代谢和谷胱甘肽代谢相关基因也上调表达,但T1和T2时刻SC的糖代谢、海藻糖代谢相关基因下调表达。然而,T1和T2时刻HU的氧化应激与损伤修复、海藻糖代谢和有性繁殖相关基因上调表达,T1时刻HU的糖原生物合成与分解、含硫氨基酸生物合成相关基因上调表达,T2时刻HU的己糖转运相关基因也上调表达,但T1和T2时刻HU的糖代谢、麦角甾醇生物合成相关基因下调表达。由此看出,混合发酵相互作用时,SC可能通过增强氧化应激与损伤修复、麦角甾醇生物合成、有性繁殖和谷胱甘肽代谢相关基因的表达进行自我保护,而HU则增强氧化应激与损伤修复、海藻糖代谢和有性繁殖相关基因的表达进行自我保护。
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