中国奇异酿酒酵母菌(Saccharomyces paradoxus)的生态分布和种群结构与演化研究

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作为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的最近缘种,野生的奇异酿酒酵母(S.paradoxus)正成为生态学和进化生物学研究的新模型。之前的研究表明S.paradoxus具有很明显的群体结构,并且清楚地与地域分布相对应,已识别出欧洲、远东、美洲和夏威夷等4个群体或谱系,表现出明显的异域分化现象。但是对中国的S.paradoxus尚缺少系统的研究。近期研究表明,东亚或中国是酿酒酵母属的多样性中心和可能的起源地,因此,对中国S.paradoxus的生态分布和遗传多样性研究,对充分认识该种的全球遗传多样性、群体结构和演化是必要的。  本研究基于对中国大规模的野外调查采样,从900余份树木分泌物、树皮、腐木和森林土壤等样品中,保存近2500株菌株。选择性分离酿酒酵母属菌株近1600株,应用ITS SSCP和序列分析相结合的技术进行鉴定,鉴定出属于Saccharomyces属的种7种,其中S.paradoxus共43株。野外分离结果表明,与其姊妹种S.cerevisiae的广域性分布不同,S.paradoxus在中国的分布区域主要集中在亚热带以北的温带和暖温带地区以及部分暖温带与亚热带的交界处(如湖北神农架)。在我国湖北以南的亚热带和热带地区,均未发现S.paradoxus的存在。在青藏高原地区,仅在西藏东南部发现了S.paradoxus菌株。从基物类型看,大部分S.paradoxus分离自与栎属(Quercus)和青冈属(Cyclobalanopsis)植物相关的基物上,而从水果、果树和果园土等基物中均未发现S.paradoxus。选择具有地区和基物来源代表性的27株中国S.paradoxus菌株进行了6个蛋白基因(MFA1,MLS1,POP2,RPB2,STE2和STE3)和2个基因间隔区(IntFR和IntMD)的序列分析,并从GenBank和相关数据库中下载了代表S.paradoxus全球遗传多样性的菌株的相应序列,进行了系统发育和群体遗传学方面的综合分析。结果表明,中国S.paradoxus菌株的序列多样性(π=1.074×10-2)远高于欧洲(π=0.119×10-2)和美洲(π=0.264×10-2)地区来源的菌株。系统发育分析除识别出已知的4个谱系外,还从中国菌株中发现了一个与其他谱系分化显著的新谱系,即华北谱系。大部分中国S.paradoxus菌株属于远东谱系,5个菌株属于华北谱系。原有的4个谱系间的序列差异最高为3.45%,而华北谱系与其他谱系间的序列差异最高达4.47%。为了与最新发现的北美S.paradoxus菌株进行更全面的比较,本研究又基于POP2和RPB2这两个基因序列(在8基因分析中北美菌株的基础上,最新增添北美菌株仅有这两个基因的序列可资比较)进行了分析。在这两个基因的序列多样性方面,中国菌株(π=0.735×10-2)和美洲菌株(π=0.705×10-2)相差不明显,但两个中国本土谱系(远东和华北)间的序列差异(2.36%)远大于两个美洲本土谱系(美洲B和美洲C)间的序列差异(1.37%),说明中国S.paradoxus的起源和分化时间可能更早。S.paradoxus的远东谱系和华北谱系在中国的分布具有生态和地理重合现象,这两个谱系的菌株在陕西秦岭和北京郊区山区的相同区域和生境均有分布。但单基因系统发育分析发现,这两个谱系间并没有发生遗传混杂,在自然界保持着清楚的生殖隔离现象。本研究发现不同谱系间杂交后代的孢子成活率为33.0%-77.2%,并且观察到了染色体核型差异与杂交后代孢子成活率降低的相关性,显示染色体重排可能与S.paradoxus菌株或群体间生殖隔离的建立有关。生理生化性状分析显示,中国S.paradoxus菌株在对个别糖类化合物的发酵和碳源化合物的同化反应方面有些许差异,所有22株远东谱系的菌株均不能发酵麦芽糖,而5株华北谱系中的3菌株可延迟或弱发酵这种糖;大部分远东谱系菌株在38℃下可生长,而所有华北谱系菌株在这一温度下不能生长,其中3株华北谱系菌株的最高生长温度只有34℃。这些结果暗示这两个同域分布的谱系可能具有不同的环境适应性,但尚需对更多菌株,特别是更多华北谱系菌株进行研究。
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