酿酒酵母的氮源代谢过程受到一系列复杂的调控。解析酿酒酵母氮源代谢的全局调控机制具有重要的学术意义和应用前景。本论文以两株用于黄酒工业生产的酿酒酵母菌株(Saccharomyces cereviaiae)N85和XZ-11为研究对象,比较基因组学分析基因组中与氮源代谢调控相关的差异位点。通过比较转录组学分析,解析不同酿酒酵母菌株在不同氮源条件下的基因调控模式。最后建立了蛋白亚细胞定位调控系统,调控氮代谢全局调控因子的亚细胞定位,从而实现了对酿酒酵母氮源代谢过程的定向调控。本论文的主要研究内容如下:(1)酿酒酵母N85和XZ-11菌株全基因组测序与分析。对酿酒酵母N85和XZ-11菌株基因组进行二代和三代测序,利用基于参考基因组的Reference assembly和不依赖参考基因组的de novo assembly方法对测序数据进行组装。整合两种组装结果后,获得了N85和XZ-11菌株的完整基因组序列,大小分别为12.10 Mbp和12.17 Mbp,GC含量分别为38.28%和38.32%。利用同源比对、从头基因预测和基于转录组数据的基因预测手段,对两株酿酒酵母基因组进行注释。N85和XZ-11菌株基因组分别注释到6,635和6,648个蛋白编码区。利用tRNAscan-SE工具在N85和XZ-11基因组上注释得到tRNA的数量均为275个。(2)比较基因组学分析氮源代谢相关的差异位点。模拟黄酒发酵比较N85和XZ-11菌株氮代谢的表型差异发现,N85中总氨基酸和尿素含量较XZ-11分别高21.90%和36.75%。比较N85和XZ-11的基因组,共发现12,309个差异位点;在N85和XZ-11基因组上找到6,564个两者共有的编码基因,分别有71个和84个特异性基因。其中N85特异性基因ARG2是尿素代谢调控重要基因,能够引导流经谷氨酸的碳和氮代谢流进入尿素循环。在XZ-11菌株中回补表达ARG2导致菌株的尿素利用效率下降约25.04%。比较低产尿素进化菌4B与出发菌XZ-11基因组差异发现,AAT2与PRO1在尿素培养基中快速进化,在XZ-11菌株中表达低产尿素进化菌4B中进化后的AAT2和PRO1基因分别能将尿素积累降低34.29%和23.96%。(3)全基因组关联分析N85与XZ-11菌株氮代谢相关的基因组差异位点。建立了基于流式细胞仪的超高通量筛选技术,结合杂交育种和诱导杂交二倍体产孢,分选到9,600株子代单倍体。检测子代单倍体的尿素利用效率,选取尿素积累最高的96株菌和最低的96株菌分为H和L两组。通过混合基因组测序和全基因组关联分析,发现3个与氮源代谢相关的差异基因(PUT3、VBA5和VBA3)。在N85菌株中回补3个基因上的差异位点发现,改造菌发酵液中尿素积累量较野生菌分别降低16.53%、20.17%和10.24%。(4)比较转录组学解析酿酒酵母氮代谢的转录调控机制。通过比较酿酒酵母N85和XZ-11在3种氮源条件下的基因转录水平发现,偏好型氮源条件下酵母细胞通过激活氨基酸-tRNA连接酶的表达,促进胞内氨基酸与游离tRNA的结合,降低胞内游离tRNA的水平,激活TOR途径从而抑制非偏好型氮源的利用。在XZ-11菌株中,由谷氨酸进入尿素循环的氮源流量较N85菌株小而尿素降解途径活性较N85菌株高,导致XZ-11菌株发酵中尿素积累较N85菌株低。在XZ-11菌株中,Gln3对氮代谢相关基因转录表达的激活作用强于N85菌株,Dal80对氮代谢相关基因转录表达的抑制作用弱于N85菌株。(5)调控NCR转录因子亚细胞定位解除氮代谢阻遏效应。通过点突变TOR1基因和敲除雷帕霉素结合亚基编码基因FPR1,构建对雷帕霉素不敏感的蛋白锚定系统工程菌株。雷帕霉素诱导下,调控转录激活因子Gln3和Gat1定位于细胞核,转录阻遏因子Gzf3和Dal80定位于细胞质。在XZ-11菌株中分析调控转录因子亚细胞定位对氮代谢相关基因表达的影响发现,偏好型氮源对非偏好型氮源利用的抑制,主要是因为转录激活因子Gln3无法进入细胞核激活相关基因的转录,其次是由于转录阻遏因子Dal80进入细胞核阻遏相关基因的转录。调控Gln3、Gat1进入细胞核分别使发酵体系中尿素含量降低49.45%和38.99%,阻止Gzf3、Dal80进入细胞核能够使尿素含量降低21.52%和42.44%。