[00122250]基于全基因组序列挖掘酿酒酵母高产甘蔗糖蜜乙醇关键基因的研究

甘蔗糖蜜是甘蔗制糖的副产物,其中含糖分50%以上,直接排放将造成环境严重污染,以其为原料生产乙醇不仅可以解决蔗糖生产对环境的污染问题,而且可减少乙醇生产对粮食的消耗,意义显著。目前,甘蔗糖蜜已成为广西、广东、云南等我国蔗糖产区乙醇产业的主要生产原料。但是甘蔗糖蜜乙醇发酵一直存在技术瓶颈,导致整个产业对环境的污染极其严重。利用发酵性能优良的生产菌株提高发酵醪液的乙醇含量以及发酵效率,不仅可以提高设备的产能,降低生产劳动成本,而且可显著减少废液排放量,减少废液处理成本,降低能耗和原材料单耗,具有巨大的经济效益,一直是整个乙醇发酵工业的研究重点和热点。基于此加之我们之前的研究基础,本项目通过对甘蔗糖蜜乙醇发酵性状不同的系列酿酒酵母菌株开展全基因组测序,比较基因组学分析,菌株之间差异基因的突变（同源置换、敲除等）,以及基因与表型性状的相关分析等,挖掘出酿酒酵母高产甘蔗糖蜜乙醇的关键基因及其功能,在理论方面将为探讨酿酒酵母乙醇发酵的生命现象提供参考,加深人类对乙醇合成、细胞的应激性、代谢等基本生命现象的认识,在应用方面将指导酿酒酵母工业菌株改造,提高糖蜜乙醇的发酵水平,全面推动我国甘蔗糖蜜乙醇产业的技术升级,实现节能减排目标,因而具有相当重要的理论和应用意义。 项目指标完成情况如下： （1）完成了3株甘蔗糖蜜乙醇发酵性状不同的酿酒酵母系列菌株的全基因组测序和基因组比较分析,识别出5335个序列存在差异的基因,经分析和功能筛选,识别出56个与酿酒酵母发酵甘蔗糖蜜高产乙醇的相关调控基因; （2）在国际上首次实验证实了CDC15、Gal10、PH04、MBP1、GAL3等5个基因与酿酒酵母乙醇发酵的相关关系,并结合文献报道初步阐明了这些基因的功能,并通过基因的置换构建得到了1株耐高温、高产的酿酒酵母甘蔗糖蜜乙醇发酵基因工程菌株MF1001-CDC15,37℃下的甘蔗糖蜜乙醇发酵浓度达到了15%（V/V）以上,已被用于工业生产,解决了我区甘蔗糖蜜乙醇发酵产业夏天生产发酵罐温过高,设备冷却能力不足的问题; （3）在国外SCI收录期刊发表论文1篇（影响因子1.08,项目负责人为通信作者）,在国内核心期刊发表论文5篇。 本项目通过建立酿酒酵母工业菌株（异源双倍体）的稳定单倍体细胞系,建立了完整的异源基因在酿酒酵母工业菌株的核基因组稳定表达技术平台,并将此平台用于酿酒酵母工业菌株的基因功能鉴定,乙醇发酵高产工业菌株的构建等方面研究,提高了酿酒酵母基因工程工业菌株的改造和研究水平,实现了研究技术的创新;证实了5个与酿酒酵母乙醇发酵相关的新基因,这些研究目前国内外尚未见报道;分析了甘蔗糖蜜乙醇发酵酿酒酵母菌株的基因组演变规律;构建得到了1株耐高温、高产的甘蔗糖蜜乙醇发酵酿酒酵母基因工程生产菌株。本项目通过比较基因组学研究已初步鉴定出56个与酿酒酵母酒精发酵密切相关的调控基因。但目前只完成其中5个基因的功能鉴定及其对酿酒酵母糖蜜酒精发酵影响的研究,有必要进一步完成这些基因的功能鉴定,探明其对酿酒酵母酒精发酵的影响,从实验上证实比较基因组学分析所得结果,并为进一步构建酿酒酵母高产菌株奠定更广泛的理论基础。