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在生物乙醇生产中，高温和乙醇严重制约酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵效率。研究人员通过比较转录组学，探究多耐受性酿酒酵母 E-158 的耐受机制，发现 DAL80 和 CRZ1 等关键转录因子，为培育高产菌株提供理论依据。
在当今能源领域，生物乙醇凭借其运输便捷、能量密度高以及温室气体排放低等优势，成为了极具前景的低碳运输液体燃料。而酿酒酵母，作为传统的燃料乙醇生产 “主力军”，以其出色的乙醇生产能力和一定的抗逆性，在工业生产中占据重要地位。然而，在实际的工业乙醇生产过程中，酿酒酵母却面临着诸多严峻挑战。
工业生产环境中的高温和高浓度乙醇，就像两座难以逾越的 “大山”，严重阻碍着酵母的生长和发酵进程。在利用木质纤维素和淀粉类原料生产乙醇时，为了节省时间和降低成本，行业内普遍采用同步糖化发酵（SSF）技术。但尴尬的是，该技术中酶水解的最适温度（45 - 50°C）与发酵的最适温度（30 - 35°C）差异较大，这不仅导致酶用量增加，还使得冷却成本大幅上升。此外，尽管酿酒酵母在长期进化中发展出了一些应对单一胁迫的机制，但面对多种胁迫同时存在的复杂工业环境，其耐受性依然不足，极大地限制了生物乙醇生产的效率和成本效益。
为了突破这些瓶颈，四川大学的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于多耐受性酿酒酵母菌株 E - 158，运用比较转录组学这一强大工具，深入探究其在热胁迫和热乙醇联合胁迫下的耐受机制，旨在挖掘关键转录因子（TFs），为培育更强大的酿酒酵母菌株、提升生物乙醇产量提供有力支撑。最终，研究取得了丰硕成果，相关论文发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上。
在研究方法上，研究人员主要采用了以下几种关键技术：一是转录组数据分析技术，对 E - 158 和原始菌株 KF - 7 在不同胁迫条件下进行 RNA 测序，全面分析基因表达差异；二是运用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，对筛选出的关键转录因子进行过表达和敲除操作，构建工程菌株；三是通过批次发酵实验，在不同胁迫条件下对工程菌株的发酵性能进行测试，测定葡萄糖、甘油和乙醇浓度等指标，评估菌株的耐受性。
下面来看具体的研究结果：
- E - 158 对热胁迫的耐受机制：在 44°C 热胁迫下，相较于 KF - 7，E - 158 的葡萄糖消耗增加 31%，乙醇产量提高 33%。转录组分析发现，E - 158 中与葡萄糖转运相关的基因（如 HXT2、HXT8 等）上调，促进了葡萄糖摄取；参与糖异生、乙醛酸循环以及非发酵碳源代谢的基因（如 MDH2、PYC1 等）下调，减少了有毒副产物（如乙酸）的合成；同时，与活性氧（ROS）清除相关的基因（如 SOD2、CTT1 等）上调，增强了抗氧化能力；编码核糖核苷酸 - 二磷酸还原酶（RNR）亚基的基因（RNR1、RNR2 等）下调，使还原当量（如 NADPH）更多地用于抗氧化防御。这些变化共同作用，提升了 E - 158 的耐热性。
- E - 158 对热乙醇联合胁迫的耐受机制：在 43°C 和 3%（v/v）乙醇的联合胁迫下，E - 158 的葡萄糖消耗和乙醇产量分别比 KF - 7 提高 82% 和 81%。此时，E - 158 中高亲和力葡萄糖转运蛋白基因（HXT2、HXT6 等）和糖酵解相关基因（EMI2、HXK1 等）上调，加速了葡萄糖代谢和乙醇合成；甘油生成相关基因（GPD1、GPP1 等）下调，减少了甘油合成；谷胱甘肽（GSH）代谢、ROS 清除以及过氧化物酶体相关基因上调，增强了抗氧化能力；细胞呼吸链电子传递相关基因下调，抑制了呼吸作用；核糖体代谢途径相关基因显著上调，促进了蛋白质合成。这些适应性变化使 E - 158 在联合胁迫下表现出更强的耐受性。
- E - 158 在两种胁迫条件下的调控网络及关键转录因子鉴定：研究人员深入分析了胁迫条件下差异表达的转录因子（DETFs），发现热胁迫下有 41 个 TFs 显著差异表达，其中 14 个处于调控网络的中心节点，YAP1、PDR1、MIG1 和 CRZ1 等与靶基因的表达一致性较高，在热胁迫转录调控中起关键作用。联合热乙醇胁迫下，61 个 TFs 显著差异表达，9 个为中心节点，Yap1p、Met32p 等在全局转录调控中发挥重要作用。通过比较两种胁迫条件下的 DETFs，筛选出 14 个共同的关键 TFs。对这些 TFs 进行过表达和敲除实验后发现，敲除 GIS1、CRZ1、YAP1 和 TOS8 或过表达 MIG1、DAL80、TOS8、OPI1 和 CRZ1 等可增强菌株在 43°C 下的耐热性；在 44°C 时，过表达 DAL80 和 CRZ1 等也能提高菌株耐热性。在联合热乙醇胁迫下，过表达 DAL80 和 CRZ1 显著提升了菌株的耐受性，其中 KF7DAL80 的发酵性能甚至超过了 E - 158。
研究结论和讨论部分指出，本研究首次揭示了 Dal80p 在酿酒酵母耐热和耐乙醇胁迫中的重要作用，为构建适用于生物乙醇生产的优良菌株提供了关键的理论指导和转录因子靶点。研究还发现，不同温度下调控耐热性的机制存在差异，Yap1p 对胁迫抗性的贡献受多种因素影响，Opi1p、Uga3p、Gis1p 和 Dal80p 等转录因子与酿酒酵母耐热性的关系此前未被报道，Crz1p 和 Tos8p 在转录调控网络中可能具有双重调节作用。此外，研究明确了 E - 158 在热乙醇联合胁迫下的独特耐受机制，为进一步优化酿酒酵母性能提供了新的思路。这些研究成果对于推动生物乙醇产业的发展具有重要意义，有望助力解决当前生物乙醇生产面临的效率和成本难题，促进低碳能源的可持续发展。
