《Food Research International》：Development of a microbial platform strain for efficient lignocellulosic biomass bioconversion through adaptive evolution and genetic engineering
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本研究通过60轮化学诱变和适应性进化，利用酿酒酵母为起点开发出稻秆水解液耐受菌株。基因组、转录组和基因克隆分析揭示HOT1、STV1等关键基因的适应性突变，显著提升对 furfural、acetic acid及phenol的耐受性，为构建高效生物转化工程菌株奠定基础。
张正月|匡晓琳|萨达尔·阿里|姜林佳|沈继伟|辛文丽|冯玲玲|马梦根
四川农业大学资源学院，中国四川省成都市温江区，611130
摘要 影响木质纤维素生物质生物转化的一个关键因素是发酵微生物在木质纤维素水解物中生长和进行发酵的能力。本研究以酿酒酵母 （一种模型发酵微生物）作为起始菌株，通过60轮化学诱变和适应性进化，培育出了一种能够在稻草来源的木质纤维素水解物中生长的菌株。基因组、转录组和基因克隆分析表明，适应性进化诱导了与酵母耐受性相关的多个基因中的有益突变。这些突变及其调控机制为工程菌株的合理设计和改造提供了见解。此外，这种进化出的耐受性菌株为生产各种木质纤维素生物转化产品提供了遗传工程平台。
引言 木质纤维素生物质转化的主要挑战源于木质纤维素本身的顽固性以及发酵微生物对木质纤维素水解物的有限耐受性（Chen等人，2025年；Li等人，2022a年）。水解物复杂的成分中含有糠醛、羟甲基糠醛（HMF）、有机酸和酚类化合物等抑制剂，这些成分常常会阻碍微生物的生长和发酵效率（Yao等人，2023年）。克服这些障碍对于提高木质纤维素生物转化过程的效率和经济效益至关重要。因此，提高微生物对抑制剂的耐受性是生产高附加值木质纤维素产品的重要步骤（Zhang等人，2025年）。
酿酒酵母 （Saccharomyces cerevisiae），作为一种常用的发酵模型微生物，具有成熟的研究背景和广泛的工业应用（Brandt等人，2019年）。由于其遗传特性明确、安全性高以及强大的发酵能力，它被广泛应用于生物乙醇生产、酿造和烘焙等生物技术过程（Almeida等人，2007年；Yao等人，2023年）。此外，酿酒酵母 还具备多种先进的基因操作工具，使其成为代谢工程和合成生物学研究的理想候选对象。这些优势使得酿酒酵母 成为开发高效木质纤维素生物质生物转化工程菌株的理想宿主。
适应性实验室进化（Adaptive Laboratory Evolution, ALE）通过逐步施加压力来筛选耐受性菌株，已被证明能有效增强对糠醛或醋酸的耐受性，通过进化工程培育出了能够耐受多种抑制剂的酿酒酵母 菌株（Chen等人，2025年；Dolpatcha等人，2023年；Wang等人，2023年）。此外，化学诱变（如甲基磺酸乙酯，EMS）与进化技术结合使用，可以引入随机突变，进一步提高菌株的适应性（Narayanan等人，2016年）。
本研究开发了一种能够在稻草来源的木质纤维素水解物中高效生长和发酵的微生物平台菌株。以酿酒酵母 为起始菌株，通过化学诱变和适应性进化来提高其对木质纤维素水解物中常见抑制剂的耐受性。通过基因组、转录组和基因水平的分析，本研究旨在识别有助于增强耐受性的有益突变和调控机制。这种进化出的菌株不仅为酵母适应复杂生物质环境提供了宝贵见解，还为未来生产多种木质纤维素生物转化产品的遗传工程工作提供了坚实的基础。
菌株和生长条件 本研究中使用的原始
酿酒酵母 菌株YBA_08（GenBank登录号：
KF141699.1 和OK172582.1）是从中国四川省宜宾市的一家白酒发酵厂分离得到的。通过适应性进化产生了耐受性菌株FA、FB和FC。单倍体
酿酒酵母 菌株BY4742和
酿酒酵母 INVSc1菌株保存在实验室的菌株库中。
大肠杆菌 DH5α购自上海盛工生物科技有限公司。
抗性鉴定 通过将EMS化学诱变与适应性进化相结合，在稻草水解物抑制剂的选择压力下，对工业用酿酒酵母 菌株YBA_08进行了驯化和改进。经过多轮诱变和传代后，选出了具有优良特性的三个进化菌株FA、FB和FC。
在三种木质纤维素水解物抑制剂（1.6?g/L糠醛、2.5?g/L醋酸、0.7?g/L酚）的共同作用下，进化出的菌株FA、FB和FC表现出
讨论 本研究通过EMS化学诱变结合适应性进化，在稻草水解物抑制剂（如糠醛、醋酸和酚）的选择压力下成功选出了三个进化菌株FA、FB和FC（Zhang等人，2024年）。先前的水解物分析表明，糠醛、酚和醋酸是最具代表性的抑制剂，并且在酿酒酵母 的耐受性研究中得到了广泛研究17, 18, 19 。因此，
结论 本研究表明，适应性进化可以有效提高工业用酿酒酵母 对木质纤维素水解物抑制剂的耐受性。与野生型菌株相比，进化菌株的迟滞期缩短了24小时。遗传分析揭示了关键突变，尤其是在HOT1 和STV1 基因中，这些突变有助于增强耐受性，尤其是在与底物转运、氨基酸合成和线粒体组成相关的途径中。这些发现突显了
CRediT作者贡献声明 张正月： 撰写——初稿，概念构思。匡晓琳： 撰写——初稿，概念构思。萨达尔·阿里： 数据管理。姜林佳： 数据管理。沈继伟： 数据管理。辛文丽： 数据管理。冯玲玲： 数据管理。马梦根： 撰写——审稿与编辑，监督。
未引用的参考文献 Fang等人，2024年
Qi等人，2022年
Vandermeulen, Khaiwal, Rubio, Liti和Cullen，2024年
Wang等人，2019年
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
