通过重复群体选择和回交（ReMaSSing）技术对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）菌株进行QTL定位、育种和改良

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：QTL mapping, breeding, and debugging Saccharomyces cerevisiae strains through Reiterated Mass Selection and backcrosSing (ReMaSSing)

ReMaSSing方法通过多轮选择和回交优化，成功筛选出与酿酒酵母木质纤维素水解液耐受性相关的关键基因（如VPS70、CAT5等），显著提升乙醇产量和耐受性，验证了该方法的工程效率。

　　

摘要

背景

从木质纤维素水解物（LCHs）中生产第二代乙醇对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来说面临重大挑战，因为这些物质中含有抑制发酵的成分。对耐逆境的酿酒酵母菌株进行数量性状位点（QTL）定位对于识别能够提高酵母对LCHs发酵能力的适应性等位基因非常重要。然而，QTL定位过程劳动强度高，需要筛选大量重组体并进行多次杂交以提升定位精度。

结果

我们开发了重复质量选择和回交（ReMaSSing）技术，以通过QTL定位促进适应性等位基因的识别，并提高酵母菌株对LCHs的耐受性。ReMaSSing技术应用于将耐逆境酵母PE-2_H4与实验室菌株S288C杂交得到的后代群体。通过使用不同的实验方案，我们选择了携带显性标记的单倍体或二倍体群体，并在标准培养基或添加了LCHs的培养基中繁殖这些群体，从而富集出携带适应性等位基因的个体。这些富集后的群体随后与S288C进行大规模回交，生成的数百万孢子形成了新的重组群体，用于后续的选择循环。经过五轮ReMaSSing后，全基因组测序和QTL定位确定了与LCH耐受性相关的关键等位基因，这些等位基因与VPS70、CAT5、GCY1、UBP2、MKT1/SAL1、HAP1和PHO84基因相关，这些基因影响S288C的生长和线粒体功能。我们还发现了S288C菌株特有的IRA1和HTA1基因突变，这进一步证明了ReMaSSing技术能够“优化”S288C的遗传背景，即通过选择去除有害变异。等位基因交换和竞争实验确认，这些QTL确实改善了LCH耐受性和生长表现，具有适应性等位基因的菌株比亲本S288C的表现提高了20%以上。最后，通过将ReMaSSing技术应用于与木糖消耗菌株的杂交，培育出了能够更好地发酵富含木糖的LCHs的重组酵母菌株。

结论

ReMaSSing提供了一种实用的方法，用于生成QTL定位群体，以识别耐受性菌株中的适应性等位基因并修复劣质菌株的遗传缺陷。值得注意的是，由ReMaSSing技术产生的重组群体和克隆在LCH耐受性和生长方面均优于亲本菌株。此外，我们利用ReMaSSing技术培育出了具有增强LCH耐受性、高效木糖代谢能力和强大乙醇生产能力的菌株。综上所述，ReMaSSing是一种强大的工具，可用于整合来自多个亲本背景的理想性状，从而改良工业用酵母菌株。

背景

从木质纤维素水解物（LCHs）中生产第二代乙醇对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来说具有挑战性，因为这些物质中含有抑制发酵的成分。对耐逆境的酿酒酵母菌株进行数量性状位点（QTL）定位对于识别能够提高酵母对LCHs发酵能力的适应性等位基因非常重要。然而，QTL定位过程劳动强度高，需要筛选大量重组体并进行多次杂交以提升定位精度。

结果

我们开发了重复质量选择和回交（ReMaSSing）技术，以通过QTL定位促进适应性等位基因的识别，并提高酵母菌株对LCHs的耐受性。ReMaSSing技术应用于将耐逆境酵母PE-2_H4与实验室菌株S288C杂交得到的后代群体。通过使用不同的实验方案，我们选择了携带显性标记的单倍体或二倍体群体，并在标准培养基或添加了LCHs的培养基中繁殖这些群体，从而富集出携带适应性等位基因的个体。这些富集后的群体随后与S288C进行大规模回交，生成的数百万孢子形成了新的重组群体，用于后续的选择循环。经过五轮ReMaSSing后，全基因组测序和QTL定位确定了与LCH耐受性相关的关键等位基因，这些等位基因与VPS70、CAT5、GCY1、UBP2、MKT1/SAL1、HAP1和PHO84基因相关，这些基因影响S288C的生长和线粒体功能。我们还发现了S288C菌株特有的IRA1和HTA1基因突变，这进一步证明了ReMaSSing技术能够“优化”S288C的遗传背景，即通过选择去除有害变异。等位基因交换和竞争实验确认，这些QTL确实改善了LCH耐受性和生长表现，具有适应性等位基因的菌株比亲本S288C的表现提高了20%以上。最后，通过将ReMaSSing技术应用于与木糖消耗菌株的杂交，培育出了能够更好地发酵富含木糖的LCHs的重组酵母菌株。

结论

ReMaSSing提供了一种实用的方法，用于生成QTL定位群体，以识别耐受性菌株中的适应性等位基因并修复劣质菌株的遗传缺陷。值得注意的是，由ReMaSSing技术产生的重组群体和克隆在LCH耐受性和生长方面均优于亲本菌株。此外，我们利用ReMaSSing技术培育出了具有增强LCH耐受性、高效木糖代谢能力和强大乙醇生产能力的菌株。综上所述，ReMaSSing是一种强大的工具，可用于整合来自多个亲本背景的理想性状，从而改良工业用酵母菌株。