海洋酵母在自发与诱变条件下的基因组奥秘：开启生物技术应用新征程

《BMC Genomics》：Genomic alterations of marine yeast Scheffersomyces spartinae under spontaneous and mutagenic conditions

为探究海洋酵母遗传进化机制，研究人员分析了 S. spartinae 在多种条件下的基因组变化，发现突变规律及 rDNA 变化，为酵母研究提供新视角。

　　在神秘的海洋世界里，微生物如同隐藏的宝藏，蕴含着巨大的潜力。酵母作为单细胞真核生物，不仅是生物学研究的重要模型，更是工业生产中的 “得力助手”，比如酿酒、发酵生产各类产品等。其中，海洋酵母因其独特的生存环境，展现出与众不同的生理特性和功能，吸引了众多科研人员的目光。像 Saccharomyces cerevisiae（酿酒酵母）在遗传学和生物技术领域应用广泛，但海洋酵母 Scheffersomyces spartinae 也不甘示弱，它具有高耐盐性、多种碳源利用能力，在辅酶 Q9 生产和偶氮染料降解方面潜力巨大。然而，目前对于海洋酵母遗传变异背后的机制，人们知之甚少。

为了揭开海洋酵母遗传进化的神秘面纱，浙江海洋大学海洋科学与技术学院、浙江大学海洋学院等研究机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，为该领域带来了全新的认识。

研究人员主要运用了突变积累（MA）实验结合下一代全基因组测序技术。首先，选取从中国舟山东极岛海水分离出的海洋酵母 S. spartinae YMxiao，在不同条件下进行多次传代培养，积累突变。之后，提取酵母细胞的基因组 DNA（gDNA），构建文库并进行测序。通过生物信息学分析，检测出单核苷酸变异（SNVs）、插入缺失（InDels）等基因组变化，还计算了 rDNA 拷贝数。

研究结果如下：

1. 自发基因组改变：在自发条件下培养 S. spartinae，经过多代传代后，发现其 SNVs 发生率为6.3×10?11每碱基对每细胞分裂，InDels 发生率为1.4×10?11每碱基对每细胞分裂。C-to-T 或 G-to-A 的转换是主要的碱基替换类型，可能由胞嘧啶脱氨引起。InDels 主要发生在短串联重复区域，推测是 DNA 复制时模板滑动导致。此外，研究未检测到大于 1kb 的大片段缺失、重复或非整倍体事件，这表明 S. spartinae 对大规模基因组改变耐受性较低。
2. UV 诱导的基因组改变：用50J/m2的 UV 处理 S. spartinae，其 SNVs 发生率大幅提升，达到7.9×10?9每碱基对每细胞分裂，是自发突变率的 124 倍。C-to-T 替换最为突出，且多发生在嘧啶丰富区域。这是因为 UV 会使 DNA 形成环丁烷嘧啶二聚体（CPDs），影响 DNA 复制，导致突变。
3. Zeocin 诱导的特征性突变：Zeocin 处理后，S. spartinae 的 SNVs 和 InDels 发生率分别增加 76 倍和 71 倍。T-to-A 突变和 T 缺失频繁出现在 5’-GT-3’基序处。这是由于 Zeocin 与 DNA 结合，导致 DNA 损伤，激活易错的 DNA 聚合酶和非同源末端连接（NHEJ）途径，引发突变。
4. 热应激下的基因组改变：将 S. spartinae 在 37°C 培养，其 SNVs 和 InDels 发生率分别上升至1.4×10?10和7.5×10?11每碱基对每细胞分裂。主要的碱基替换类型仍是 C-to-T 或 G-to-A。同时，研究发现热应激会使 rDNA 拷贝数显著下降，这可能是细胞应对高温压力的一种适应性策略。

研究结论和讨论部分指出，S. spartinae 在自发和诱导条件下的突变多为纯合子，推测是减数分裂驱动的纯化作用导致。不同诱变条件下，S. spartinae 的突变模式和频率各异，体现了诱变剂与 DNA 的特异性相互作用。与其他酵母相比，S. spartinae 对改变 DNA 拷贝数的异常情况更为敏感，其较低的 DNA 突变率和非 rDNA 区域拷贝数变异，有助于保持稳定的生产性状，在工业应用中具有优势。热应激下 rDNA 拷贝数的变化，为酵母适应环境压力提供了新的遗传策略。这些发现不仅加深了人们对酵母基因组可塑性和遗传适应机制的理解，也为海洋酵母在生物技术领域的进一步开发利用奠定了理论基础，具有重要的科学意义和应用价值。