• 研究背景

利用可再生木质纤维素类生物质生产生物燃料，是实现可持续能源转型的重要途径。然而，在木质纤维素水解液中，乙酸等抑制物的存在会严重阻碍酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 的生长和发酵性能，成为生物转化的主要瓶颈。

已有研究表明，酵母的细胞絮凝特性能够增强其对乙酸的耐受性。但是，絮凝强度如何影响保护作用，其背后的机制尚不清晰。此外，过强的絮凝可能阻碍物质传递，而絮凝不足则保护作用有限。因此，如何精确调控絮凝程度，以平衡耐受性和发酵效率，是工业应用中的关键问题。

近期，上海交通大学生命科学技术学院赵心清教授团队在Journal of Fungi期刊上发表了一项研究，他们通过启动子工程策略，巧妙地调控了关键絮凝基因 FLO1 的表达，构建了具有不同絮凝程度的酵母菌株，并系统揭示了不同强度的细胞絮凝在应对不同强度乙酸胁迫时的差异化生存策略。

• 研究方法与结果

(1) 精准调控，构建强弱絮凝酵母： 研究团队利用CRISPR-Cas9技术，在非絮凝实验室菌株BY4741中，将其天然FLO1启动子替换为强组成型启动子PGK1p和乙醇诱导型启动子TPS1p，分别获得了强絮凝菌株BY4741 PGK1p- FLO1和中度絮凝菌株BY4741 TPS1p- FLO1, 絮凝颗粒的表型见图1。

图1.出发菌株BY4741及FLO1天然启动子替换菌株BY4741 PGK1p-FLO1和BY4741 TPS1p-FLO1的絮凝表型。A至C目测观察。D至F，光学显微镜。G至 I，扫描电子显微镜。

(2) 系统表征，明确絮凝强度与动态变化： 聚焦光束反射测量 (FBRM) 动态监测表明BY4741 PGK1p-FLO1形成稳定的粗大絮团，絮凝直径为585 μm且尺寸不随发酵时间改变；BY4741 TPS1p-FLO1的絮团则呈动态增长，平均直径从178 μm逐步增至539 μm (图2)。结合转录分析，该菌株絮凝粒径的增大与其FLO1表达水平随发酵时间的上调趋势相符合，证实了TPS1p启动子的诱导活性驱动了絮凝强度的动态变化。上述结果表明，系统整合絮凝率与动态粒径监测，可有效解析不同启动子驱动的絮凝特征，为明确絮凝强度及其动态变化规律提供关键依据。

图2.重组菌株在乙酸胁迫下絮凝尺寸动态变化与 FLO1 转录水平分析。(A) BY4741、BY4741 PGK1p-FLO1和 BY4741 TPS1p-FLO1的絮凝粒径分布；(B) 不同发酵时间点FLO1的转录水平。

(3) 差异评估，揭示胁迫强度依赖的耐受优势： 分别在摇瓶和反应器中进行了不同菌株的发酵比较。在反应器培养过程中 (图3) 发现，在含有5.0 g/L乙酸的胁迫下，中度絮凝的TPS1p菌株表现出最佳的生长和发酵性能，其延滞期更短，葡萄糖消耗和乙醇产量均优于强絮凝菌株和对照。然而，当乙酸浓度升至7.5 g/L (pH 4.0) 的极端胁迫时，仅有强絮凝的PGK1p菌株能够在发酵后期恢复生长和乙醇生产，展现出更强的生存潜能。

图3.出发菌株BY4741与重组菌株在生物反应器中絮凝表型及乙醇发酵性能比较。(A) BY4741、BY4741 PGK1p-FLO1和 BY4741 TPS1p-FLO1在含5 g/L乙酸的生物反应器中发酵时的絮凝表型；(B) 5.0 g/L乙酸条件下的乙醇发酵性能；(C) 7.5 g/L乙酸条件下 (pH 4.0) 的乙醇发酵性能。

(4) 机制解析，能量维持是关键： 研究发现，絮凝特性引起的耐受性提升并非主要源于抗氧化能力的增强。尽管中度絮凝菌株上调了部分抗氧化基因，如SOD1、MSN2，但关键抗氧化酶活性和活性氧 (ROS) 水平在各菌株间并无显著差异。真正的核心机制在于能量稳态的维持。在5.0 g/L乙酸胁迫下，两种絮凝菌株的胞内ATP水平均显著高于非絮凝对照，其中中度絮凝菌株的ATP水平最高。这表明，适度的絮凝既能提供一定保护，又能保证良好的物质传递和能量代谢，帮助细胞抵抗乙酸引起的“能量枯竭”。

• 研究总结

本研究首次系统阐明了通过启动子工程精细调控FLO1表达，可以赋予酿酒酵母不同程度的絮凝特性，进而使其在不同强度的乙酸胁迫下采取不同的生存策略。在5.0 g/L中等强度乙酸胁迫下，由TPS1p驱动的中度絮凝菌株通过维持最佳的物质传递与能量代谢，展现出更快的生长启动和更高的发酵效率；而在7.5 g/L极端乙酸胁迫下，由PGK1p 驱动的强絮凝菌株则凭借致密的物理屏障与群体保护效应，确保了细胞的存活与后期发酵复苏。机制研究表明，絮凝介导的胁迫保护主要源于胞内ATP水平的维持，而非传统的抗氧化途径。本研究强调了工业发酵中优化絮凝程度的重要性，为实现木质纤维素生物炼制过程中酵母鲁棒性与发酵效率的平衡提供了新的设计思路和有效的工程策略。已毕业博士生熊亮和叶佩良，在读博士生汪伟滨，以及合肥师范学院程诚博士对本工作做出重要贡献。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2309-608X/12/1/47

• JoF 期刊介绍

主编：David S. Perlin, Hackensack Meridian Health Center for Discovery and Innovation, USA

期刊主题涵盖了病原真菌、医学真菌学、药用真菌、抗真菌药物耐药性、真菌与健康、真菌与皮炎、寄生真菌、真菌分子系统发育、植物真菌和土壤真菌、真菌毒理学、真菌遗传学和进化、真菌生物学、多样性和生态学、真菌和环境互作和真菌应用技术等。目前期刊已被Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed、PMC、CAPlus/SciFinder等数据库收录。

2024 Impact Factor：4.0

2024 CiteScore：8.4

Time to First Decision：19 Days

Acceptance to Publication：2.8 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jof