研究揭示馴養酵母菌的起源和適應性進化機制
釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）在全世界範圍內被廣泛應用於酒類釀造和食品發酵等行業，其被人類利用的歷史已有近萬年，對人類文明的發展做出了重要貢獻，因此被稱為「第一種家養微生物」。釀酒酵母也是一種在遺傳學、分子生物學、基因組學和進化生物學等領域被廣泛應用的模式生物。對該種酵母菌起源與演化的研究也一直是一個熱點領域。
中國科學院微生物研究所白逢彥研究團隊前期對野生酵母菌生物多樣性和群體遺傳學的研究結果已證明：釀酒酵母菌起源於中國或東亞，並得到了國外多個實驗室研究結果的支持。但其馴養群體的起源地，即酵母菌最先在哪裡被人類利用，不同地區、不同發酵食品中的馴養酵母菌群體是獨立起源的，還是源自同一個馴養事件，尚有待進一步闡明。
針對這一問題，白逢彥團隊從全國範圍內系統分離、收集了大量來自不同發酵食品的釀酒酵母菌株，結合已有和新分離的野生菌株，選擇了代表不同地理、生態環境和發酵食品類型的266株釀酒酵母菌株進行了高質量基因組重測序，並整合了此前國際上發表的287株釀酒酵母菌株的基因組數據，進行了群體基因組、系統發育基因組和比較基因組學分析，全面揭示了釀酒酵母菌野生和馴養群體的遺傳多樣性、起源地和演化歷史。同時，結合生理生化性狀、發酵能力和抗逆性能等表型性狀測定以及基因組變異分析，闡明了人工選擇所導致的馴養群體發酵和抗逆性能提高的分子機制。
群體和系統發育基因組學分析結果表明，與世界其他國家和地區相比，中國野生釀酒酵母菌的遺傳多樣性最高，包括9個獨有的野生譜系，分布於神農架、秦嶺和海南等原始森林中的群體，屬於全球最原始的野生譜系，進一步證實中國是釀酒酵母菌的起源地。從中國馴養酵母菌中共識別出了12個新譜系，分屬於固態和液體發酵兩大分支。固態發酵分支包括白酒、黃酒和青稞酒譜系以及來自不同省份的7個饅頭譜系。液態發酵分支包括馬奶酒和活性乾酵母譜系。將國外釀酒酵母菌株加入後，進一步鞏固和加強了固、液態發酵兩大分支的分化。日本清酒菌株在黃酒譜系中形成了一個亞分支，顯示清酒菌株可能源於黃酒菌株，而國外葡萄酒和啤酒譜系則屬於液態發酵分支。分自中國新疆葡萄和寧夏果園的野生菌株，聚在葡萄酒譜系中，說明中國西部可能是葡萄酒譜系的起源地。在整體上，中國馴養酵母菌的遺傳多樣性遠高於世界其他地區，說明中國/東亞也可能是馴養酵母菌的起源中心。
系統發育基因組學分析發現野生和馴養釀酒酵母群體清楚地分化開來，後者形成了一個單元類群，且遺傳多樣性遠低於野生群體，說明馴養群體可能是單起源的。比較基因組學分析發現，幾乎所有野生菌株均是純合體，而馴養菌株均是雜合體；絕大部分野生菌株均不能利用麥芽糖，而幾乎所有馴養菌株，包括生長環境中不含麥芽糖的菌株，如葡萄酒和馬奶酒菌株，均可以高效利用麥芽糖，並統一伴隨著麥芽糖轉運蛋白基因和其他麥芽糖代謝基因的擴增；有些基因在所有野生菌株中均存在，而在幾乎所有馴養菌株中均丟失。上述現象均支持馴養酵母菌群體的單元起源論。根據這些研究結果推測，馴養釀酒酵母群體可能起源於一個由不同野生菌株雜交而成的雜合體祖先，最初是為了適應富含麥芽糖的發酵環境，並獲得了雜交優勢。
基因拷貝數變異分析發現了225個基因在野生和馴養群體或不同譜系之間存在顯著差異。許多與抗逆性相關的基因在馴養譜系中普遍發生了擴增；除了麥芽糖轉運蛋白基因外，其他糖分轉運蛋白及相關基因，也在馴養群體中發生了擴增。而另一些基因，如絮凝相關基因，卻在馴養譜系中普遍發生了刪減。不同譜系中還存在譜系特性基因拷貝數變異，最明顯的是在馬奶酒譜系中，發生了包括半乳糖轉運蛋白基因在內的5個已知功能基因和20餘個未知功能基因的擴增。馬奶酒譜系還通過基因橫向轉移或基因漸滲等途徑獲得了一些外源基因，包括半乳糖代謝網路中的所有結構基因。這些基因組上的變異引起了相應的表型變異，與野生菌株相比，馴養釀酒酵母菌株除了具有高效麥芽糖利用能力外，還具有較強的抗高溫和抗高濃度乙醇等的抗逆能力，而馬奶酒譜系則具有較高的半乳糖利用速率。
簡而言之，白逢彥研究團隊通過對一批全面反映釀酒酵母菌這一物種遺傳多樣性的野生和馴養菌株的基因組和表型分析，揭示了中國不僅是釀酒酵母菌野生群體發源地，也是其馴養群體的起源中心，所有馴養群體可能起源於一個由野生菌株雜交而成，並獲得了高效麥芽糖發酵能力的祖先，隨後分化為固態和液態發酵兩大分支，並通過基因擴增、刪減、橫向轉移和基因漸滲等方式，發生了顯著的基因組變異，從而實現了發酵和抗逆能力的提高以及對不同發酵環境的適應性進化。
這一工作已以The Origin and Adaptive Evolution of Domesticated Populations of Yeast from Far East Asia為題發表於《自然-通訊》（Nature Communications）期刊，微生物所博士研究生段守富為第一作者，研究員白逢彥為通訊作者。這一研究得到了國家自然科學基金委員會「微進化」重大研究計劃項目、面上項目和國際合作項目，以及中科院前沿科學重點研究項目的資助。內蒙古農業大學教授張和平給予了馬奶酒菌株支持，美國密歇根大學教授Timothy James 在論文寫作等方面給予了寶貴建議。
基於全基因組 SNP 位點建的266株中國野生和馴養釀酒酵母菌株的系統發育樹（a）和群體結構（b）
基於全基因組 SNP 位點構建的中國和國外共554株釀酒酵母菌的系統發育樹(內)和群體結構(外)
中國野生和馴養釀酒酵母菌株代表性基因的拷貝數變異熱圖
來源：中國科學院微生物研究所
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