裴宇鵬,李 嘯,2 ,肖澤濤,談亞麗
(1.三峽大學(xué) 生物制藥學(xué)院 中國(guó)輕工業(yè)酵母功能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;2.安琪酵母股份有限公司 湖北省酵母功能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443003;3.安琪生物集團(tuán)有限公司湖北省酵母功能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443003)
耐高糖酵母是一種能夠在含高濃度糖的環(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)、發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和二氧化碳的真菌[1],廣泛應(yīng)用于烘焙等食品生產(chǎn)領(lǐng)域。脫氫乙酸鈉是一種常用于面包等食品的安全防腐劑,具有抑制霉菌等雜菌生長(zhǎng)的作用,但是也會(huì)對(duì)酵母的增殖造成不利影響[2-3]。有關(guān)脫氫乙酸鈉的抑菌研究指出,首先脫氫乙酸鈉具有弱酸鹽類抑制劑通性,其水解產(chǎn)生的脫氫乙酸會(huì)穿過(guò)細(xì)胞的類脂膜,擾亂胞內(nèi)pH致使細(xì)胞酶活性降低[4-5];同時(shí)也會(huì)對(duì)細(xì)胞組分造成影響,如改變細(xì)胞膜的通透性和形態(tài),還能引起線粒體損傷等[6-7];其次還會(huì)影響細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的吸收與利用,如葡糖的攝取與氨基酸的合成[7];最后抑制了細(xì)胞內(nèi)的呼吸作用,使能量代謝紊亂[8-9]。然而,有關(guān)脫氫乙酸鈉的抑菌研究大多集中在細(xì)胞水平以及生理生化水平,缺乏分子水平的證據(jù)。
因此,本研究采用0.3 g/L脫氫乙酸鈉處理處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的耐高糖釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)BH1,以未處理組為對(duì)照,通過(guò)核糖核酸測(cè)序(ribonucleic acidsequence,RNA-Seq)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及分析,并對(duì)差異表達(dá)基因(differentially expressed genes,DEGs)進(jìn)行基因本體論(gene ontology,GO)與京都基因與基因組百科全書(kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析,并用實(shí)時(shí)熒光實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,初步探究耐高糖釀酒酵母耐脫氫乙酸鈉的分子機(jī)制,為構(gòu)建及優(yōu)化耐脫氫乙酸鈉菌株提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
1.1.1 菌株
耐高糖釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)BH1:安琪酵母股份有限公司。
1.1.2 試劑
脫氫乙酸鈉(分析純):上海麥克林生化科技有限公司;蔗糖(食品級(jí)):廣西鳳糖制糖有限責(zé)任公司;酵母浸粉:安琪酵母股份有限公司;磷酸二氫鉀、七水硫酸鎂(均為分析純):西隴化工股份有限公司;Total RNA Extractor提取試劑盒:生工生物工程(上海)股份有限公司;PrimeScriptTMRT-PCR試劑盒:寶生物工程(大連)有限公司;SYBR Green RT-PCR試劑盒:南京諾唯贊生物科技有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YEPD)培養(yǎng)基[10]:葡萄糖2%,酵母膏1%,蛋白胨1%;115 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
分批發(fā)酵培養(yǎng)基[11]:蔗糖100 g/L,酵母浸粉20 g/L,KH2PO41g/L,MgSO4·7H2O1g/L;115℃高壓蒸汽滅菌20min。
SP-752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司;FUS-50 L型全自動(dòng)發(fā)酵罐:上海國(guó)強(qiáng)生化工程裝備有限公司;QYC-211型恒溫?fù)u床:蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司;HiSeq X Ten型高通量測(cè)序儀:美國(guó)Illumina公司;實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)系統(tǒng):美國(guó)Bio-Rad公司。
1.3.1 耐高糖釀酒酵母BH1種子液制備
將保藏于甘油管的耐高糖釀酒酵母BH1接入裝液量為20 mL/250 mL的YEPD培養(yǎng)基中,30 ℃、180 r/min條件下培養(yǎng)24 h。再將復(fù)壯后的菌液按10%(V/V)的接種量接入分批發(fā)酵培養(yǎng)基,30 ℃、180 r/min條件下培養(yǎng)12 h,作為種子液備用。
1.3.2 不同質(zhì)量濃度的脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1生長(zhǎng)的影響
將種子液按10%(V/V)的接種量接種于裝液量為45 mL/250 mL的分批發(fā)酵培養(yǎng)基,30 ℃、180 r/min條件下培養(yǎng);在發(fā)酵4 h時(shí),向發(fā)酵液中分別添加0、0.005 g、0.010 g、0.015 g、0.020 g和0.025 g脫氫乙酸鈉。培養(yǎng)過(guò)程中,每隔1 h取樣,采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)600 nm處測(cè)定菌液的OD600nm值,根據(jù)不同質(zhì)量濃度的脫氫乙酸鈉對(duì)酵母生長(zhǎng)的抑制情況來(lái)確定其合適的添加質(zhì)量濃度。
1.3.3 脫氫乙酸鈉脅迫下耐高糖釀酒酵母BH1的發(fā)酵過(guò)程研究
將種子液按10%(V/V)的接種量接種于裝有18 L分批發(fā)酵培養(yǎng)基的50 L發(fā)酵罐中,于初始pH值4.8、溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速200 r/min、罐壓0.035 MPa、通氣量40 L/min的條件下培養(yǎng),在耐高糖酵母發(fā)酵對(duì)數(shù)期(4 h),向處理組(SD2G)加入脫氫乙酸鈉6 g,使發(fā)酵液中脫氫乙酸鈉的質(zhì)量濃度達(dá)到0.3 g/L。對(duì)照組(CG)不添加脫氫乙酸鈉,兩組pH值維持在4.35,發(fā)酵12 h。每隔1 h取發(fā)酵液50 mL,發(fā)酵液稀釋到合適倍數(shù)后,采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)600 nm處測(cè)定菌液的OD600nm值。另外采用亞甲基藍(lán)染色法進(jìn)行酵母活細(xì)胞計(jì)數(shù),并計(jì)算出死亡率[12]。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,數(shù)據(jù)為3次的平均值。
1.3.4 脫氫乙酸鈉脅迫下酵母轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)測(cè)序及分析
在耐高糖釀酒酵母BH1發(fā)酵過(guò)程中,取發(fā)酵6 h時(shí)的對(duì)照組與處理組菌液1.5 mL,在液氮中速凍10 min,于-80 ℃保存?zhèn)溆?,?shí)驗(yàn)重復(fù)3次,委托深圳華大基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,測(cè)序所得的數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)控后得到Clean reads,與釀酒酵母模式菌株S288c的基因組序列進(jìn)行比對(duì),然后進(jìn)行基因和轉(zhuǎn)錄本定量分析、基于基因表達(dá)水平的各項(xiàng)分析,并對(duì)篩選出的樣品間差異表達(dá)基因進(jìn)行GO功能顯著性富集分析、KEGG代謝通路顯著性富集分析等更深入的挖掘分析[13]。
1.3.5 實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證
采用PrimeScriptTMRT-PCR試劑盒對(duì)樣本核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄合成互補(bǔ)DNA(complementaryDNA,cDNA),進(jìn)而采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)系統(tǒng)和SYBR Green RT-PCR試劑盒進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。內(nèi)參基因β-actin[14]及轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選的10個(gè)差異表達(dá)基因的引物序列見(jiàn)表1。
表1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物序列Table1 Sequences of real-time fluorescent quantitative PCR primers
續(xù)表
不同質(zhì)量濃度的脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1生長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖1。
圖1 不同質(zhì)量濃度的脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effect of different concentrations of sodium dehydroacetate on the growth of high-glucose resistant Saccharomyces cerevisiae BH1
由圖1可知,不同質(zhì)量濃度的脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1的生長(zhǎng)繁殖有不同程度的抑制作用,且質(zhì)量濃度越高,抑制作用越強(qiáng)。為了獲得有較為明顯抑制效果的轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù),本研究選擇質(zhì)量濃度為0.3 g/L的脫氫乙酸鈉作為后續(xù)發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)的處理?xiàng)l件。發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)中,0.3 g/L脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1生長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖2和圖3。
圖2 50 L發(fā)酵罐中0.3 g/L脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1生長(zhǎng)的影響Fig.2 Effect of 0.3 g/L sodium dehydroacetate on the growth of high-glucose resistant Saccharomyces cerevisiae BH1 in a 50 L fermenter
圖3 50 L發(fā)酵罐中0.3 g/L脫氫乙酸鈉處理后耐高糖釀酒酵母BH1的死亡率Fig.3 Mortality of high-glucose resistant Saccharomyces cerevisiae BH1 after 0.3 g/L sodium dehydroacetate treatment in 50 L fermentor
由圖2可知,在發(fā)酵前4 h,處理組與對(duì)照組中耐高糖釀酒酵母BH1的生長(zhǎng)情況無(wú)顯著差異(P>0.05),在第4小時(shí)向處理組添加0.3 g/L脫氫乙酸鈉后,耐高糖釀酒酵母BH1的生長(zhǎng)速度明顯放緩,且生長(zhǎng)至10 h時(shí),其OD600nm值達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí),二者的OD600nm值有顯著差異(P<0.05)。
由圖3可知,處理組中添加0.3 g/L脫氫乙酸鈉后,耐高糖釀酒酵母BH1死亡率提高,但死亡率始終維持在10%以下,與對(duì)照組中酵母細(xì)胞的死亡率相差不大。綜上可知,添加0.3 g/L的脫氫乙酸鈉對(duì)耐高糖釀酒酵母BH1增殖具有明顯的抑制作用,但是其在一定程度上也能適應(yīng)這種脅迫。
測(cè)序數(shù)據(jù)的質(zhì)量水平直接決定后續(xù)測(cè)序結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)測(cè)序所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控,其結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table2 Statistics results of sequencing data
由表2可知,處理組與對(duì)照組中質(zhì)控后的數(shù)據(jù)其Q20值>95%,Q30值>90%,表明轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果良好,可用于后續(xù)分析。
對(duì)處理組(SD2G)和對(duì)照組(CG)的差異表達(dá)基因(DEGs)進(jìn)行分析,篩選閾值設(shè)為:q值<0.05且log2(差異表達(dá)倍數(shù))>1。結(jié)果共篩選出723個(gè)差異表達(dá)基因,其中上調(diào)基因253個(gè),下調(diào)基因470個(gè)。由DEGs繪制的差異火山圖見(jiàn)圖4,其中橫坐標(biāo)代表差異倍數(shù)值,縱坐標(biāo)代表顯著性值。由圖4可知,處理組(SD2G)和對(duì)照組(CG)間存在一定量的差異表達(dá)基因,且部分基因的表達(dá)倍數(shù)較大,有利于后續(xù)的深入分析。
圖4 處理組與對(duì)照組耐高糖釀酒酵母BH1差異表達(dá)基因的火山圖Fig.4 Volcano plot of differentially expressed genes of high-glucose resistant Saccharomyces cerevisiae BH1 in treatment group and control group
GO數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.gEneontology.org/)是基因功能數(shù)據(jù)庫(kù),主要分為生物過(guò)程(biological process,BP)、細(xì)胞組成(cellular component,CC)和分子功能(molecular function,MF)[16]。差異表達(dá)基因的GO富集分析結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 差異表達(dá)基因的基因本體論富集分析結(jié)果Fig.5 Results of gene ontology enrichment analysis of differentially expressed genes
由圖5可知,大多數(shù)DEGs主要富集到細(xì)胞質(zhì)翻譯、核糖體、跨膜運(yùn)輸、脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)的合成、氧化還原和鐵離子的穩(wěn)態(tài)等過(guò)程。KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.Genome.jp/kegg/)是有關(guān)基因通路的主要公共數(shù)據(jù)庫(kù),主要分為細(xì)胞過(guò)程、環(huán)境信息處理、遺傳信息處理、代謝和有機(jī)系統(tǒng)[17]。差異表達(dá)基因的KEGG富集分析結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,顯著富集通路涉及次級(jí)代謝產(chǎn)物的生成、核糖體、氨基酸的合成、碳代謝、二氧代羧酸代謝、氧化磷酸化、糖酵解、三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)、泛素蛋白水解和三磷酸腺苷結(jié)合盒(adenosine triphosphate binding cassette,ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)體等。
圖6 差異表達(dá)基因的京都基因與基因組百科全書富集分析結(jié)果Fig.6 Results of Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes enrichment analysis of differentially expressed genes
2.5.1 酵母胞內(nèi)蛋白的合成與分解代謝
通過(guò)對(duì)DEGs進(jìn)行KEGG富集分析,發(fā)現(xiàn)核糖體通路中所有DEGs下調(diào)表達(dá),其中基因RPS22A與RPS12共同編碼核糖體40S亞基蛋白,是核糖體的重要組成部分[18],而核糖體合成量的減少會(huì)抑制蛋白質(zhì)的翻譯。另外在氨基酸的生物合成中有41個(gè)DEGs顯著下調(diào)表達(dá),有10個(gè)DEGs富集到賴氨酸的生物合成途徑,其中包括共同編碼高檸檬酸合酶(homocitrate synthase,HCS)的基因LYS20和LYS21,該酶催化了第一步合成賴氨酸的反應(yīng)[19],同時(shí)編碼后續(xù)合成反應(yīng)的催化酶的基因也下調(diào)表達(dá),所以細(xì)胞內(nèi)的賴氨酸合成量可能不足。ALMIEDA B等[20]研究發(fā)現(xiàn),乙酸脅迫會(huì)引起釀酒酵母胞內(nèi)的氨基酸饑餓,這與脫氫乙酸鈉的脅迫有相似之處。有大量的上調(diào)DEGs集中在泛素依賴的蛋白分解途徑,其中基因CUL3和HRT1共同參與編碼E3泛素連接酶復(fù)合物,該酶合成的增加能促進(jìn)蛋白質(zhì)的修復(fù)與折疊[21-22]。綜上所述,脫氫乙酸鈉可能引起了胞內(nèi)氨基酸的缺乏和翻譯紊亂,以致細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)無(wú)法正常合成。另外,酵母會(huì)加強(qiáng)泛素依賴的蛋白水解途徑以抵御脫氫乙酸鈉的脅迫。
2.5.2 酵母胞內(nèi)能量代謝
由圖5可知,KEGG富集到了糖酵解、TCA和氧化磷酸化途徑,這些都與細(xì)胞內(nèi)能量代謝緊密相連。其中,基因HXK1和PYK2都下調(diào)表達(dá),它們分別編碼己糖激酶和丙酮酸激酶,這兩個(gè)酶是糖酵解反應(yīng)的限速酶,其合成通量的減少意味著糖酵解反應(yīng)受到抑制。TCA中除了編碼蘋果酸脫氫酶的基因MDH2和編碼檸檬酸縮合酶的基因CIT2上調(diào)表達(dá)外,其他10個(gè)DEGs均下調(diào)表達(dá),所以整體來(lái)看TCA被抑制。氧化磷酸化中富集到的16個(gè)DEGs全部下調(diào)表達(dá),例如基因SDH1、SDH2和SDH4共同編碼電子傳遞鏈上的琥珀脫氫酶(復(fù)合體Ⅱ);基因CYC1用于調(diào)控細(xì)胞色素c的合成,而細(xì)胞色素c承擔(dān)復(fù)合體Ⅲ和Ⅳ之間電子傳遞的作用,這些基因的下調(diào)表達(dá)表明了脫氫乙酸鈉干擾線粒體中電子傳遞鏈的正常運(yùn)作。值得注意的是線粒體中的下調(diào)DEGs編碼的酶大多含有鐵離子結(jié)合位點(diǎn),因此推測(cè),脫氫乙酸鈉可能消耗了細(xì)胞內(nèi)鐵離子導(dǎo)致這些酶的合成減少,進(jìn)而使得TCA與氧化磷酸化過(guò)程被抑制,最終酵母細(xì)胞難以產(chǎn)生和利用能量。ZHU X L等[23]研究表明天然藥物活性成分厚樸酚可能會(huì)絡(luò)合酵母細(xì)胞內(nèi)的鐵離子從而引起TCA和呼吸鏈相關(guān)的基因的下調(diào)表達(dá),這與本研究結(jié)果有相通之處。總體來(lái)說(shuō),脫氫乙酸鈉嚴(yán)重干擾了耐高糖釀酒酵母BH1細(xì)胞內(nèi)的能量代謝,使其生長(zhǎng)和繁殖受到抑制。
2.5.3 酵母胞內(nèi)鐵離子穩(wěn)態(tài)和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體
在上調(diào)的DEGs里發(fā)現(xiàn)了一組與鐵離子穩(wěn)態(tài)相關(guān)的基因,它們涉及了鐵元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及利用。其中基因FIT2和FIT3共同編碼糖基磷脂酰肌醇糖錨整合入細(xì)胞壁的甘露糖蛋白,可促進(jìn)細(xì)胞對(duì)環(huán)境中鐵的吸收,還可能用于鐵元素的儲(chǔ)藏[24];而基因LOS1編碼的Ran GTPase結(jié)合蛋白參與細(xì)胞膜上鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)[25];基因SIT1與ARN1參與編碼鐵氧嘧啶B轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和鐵載體蛋白,后者在脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)復(fù)制壓力下會(huì)大量合成并從質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到液泡[26-27];有報(bào)道指出基因TIS11響應(yīng)于鐵缺乏,使出芽的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)會(huì)進(jìn)行代謝重塑,以優(yōu)化鐵的利用率[28];最后基因ISU1編碼線粒體中的鐵結(jié)合蛋白是合成Fe/S蛋白簇中所必需的,而Fe/S蛋白是電子傳遞鏈上重要的電子載體[29]。此外,編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的基因Pdr5與Snq2在脫氫乙酸鈉脅迫下被誘導(dǎo),兩者編碼的蛋白能協(xié)同將生物異源物質(zhì)排出質(zhì)膜[30-32],因此推測(cè)酵母細(xì)胞可能通過(guò)上調(diào)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體排出脫氫乙酸根離子。綜上分析,脫氫乙酸鈉可能引起了胞內(nèi)的鐵缺乏,而酵母細(xì)胞試圖通過(guò)促進(jìn)鐵吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)以維持細(xì)胞內(nèi)鐵代謝平衡,以及通過(guò)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體加速脫氫乙酸根離子的排出來(lái)共同抵御外界脅迫。
隨機(jī)選取10個(gè)顯著的DEGs進(jìn)行qPCR驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),包括5個(gè)上調(diào)基因與5個(gè)下調(diào)基因,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖7。
圖7 實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Results of real-time fluorescence quantitative PCR verification
由圖7可知,qPCR驗(yàn)證結(jié)果與轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果中DEGs在表達(dá)幅度上有一定差異,但表達(dá)趨勢(shì)是一致的,說(shuō)明轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的結(jié)果是可信的。
本研究初步探討了耐高糖酵母應(yīng)對(duì)脫氫乙酸鈉脅迫的分子調(diào)節(jié)機(jī)制。采用0.3 g/L的脫氫乙酸鈉對(duì)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的耐高糖釀酒酵母BH1進(jìn)行處理,以未處理組為對(duì)照,采用RNA-Seq技術(shù)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及分析。結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,處理組有723個(gè)DEGs,其中上調(diào)基因253個(gè),下調(diào)基因470個(gè),通過(guò)GO與KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)脫氫乙酸鈉會(huì)抑制耐高糖酵母中核糖體、氨基酸的合成、糖酵解、TCA和氧化磷酸化等途徑,進(jìn)而導(dǎo)致胞內(nèi)蛋白合成困難,能量攝取不足;耐高糖酵母也會(huì)上調(diào)泛素依賴性蛋白水解和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體,將合成異常的蛋白水解以及將細(xì)胞內(nèi)的脫氫乙酸根離子排出質(zhì)膜,以抵御脫氫乙酸鈉對(duì)細(xì)胞代謝活動(dòng)造成的破壞。另外,酵母細(xì)胞試圖通過(guò)上調(diào)眾多與鐵離子穩(wěn)態(tài)相關(guān)的顯著DEGs(FIT2,F(xiàn)IT3,LOS1,SIT1,ARN1,TIS11,ISU1)來(lái)抵御脫氫乙酸鈉引起的胞內(nèi)鐵缺乏。