中科院微生物所白逢彦团队揭示酿酒酵母杂交优势的分子机制

中国科学院微生物所

2021-04-02 16:59中国科学院微生物所,优质科学领域创作者
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杂交优势是常见的生物学现象,并被广泛应用于动、植物和食用菌育种中,为全球农牧业的持续增产做出了巨大贡献。杂交优势也一直是科学研究的重大课题,自从达尔文最早观察到这一现象之后,对杂交优势遗传和分子机制的研究已经持续了近一个半世纪,提出了各种不同的假说,包括显性(dominance)、超显性(overdominance)和上位显性(epistasis)等,每一假说都有各自的实验证据支持。为统一不同的假说和观点,有人提出了能量利用效率假说,但这一假说仅限于理论推断,尚缺乏实验证据支持。

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为最常用的模式真核生物,也越来越多地被应用于杂交优势的遗传和分子机制研究中,但不同的研究得出的结论不同。中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室白逢彦团队前期的研究发现酿酒酵母的野生群体均是纯合体,而来自发酵环境的驯养群体均是杂合体。驯养群体的发酵和抗逆能力均显著提高,说明驯养群体可能起源于由野生菌株杂交形成的杂合体祖先,从而获得了杂交优势。为了验证野生菌株杂交能否产生杂交优势,并揭示杂交优势的分子机制,本研究获得了640多株由具有不同遗传距离的野生菌株杂交形成的杂合子,发现在40°C下,绝大多数杂合子表现出显著的杂交优势,只有很少数表现为杂交劣势。杂交优势随亲本遗传距离的增加而增加,但超过一定距离后,呈现下降的趋势,说明存在一个产生杂交优势的最适双亲遗传距离(图1)。

图1. 野生酿酒酵母F1代杂合子40°C下生长的杂交优势(A, B)和杂交优势与双亲遗传距离的关系(C)。

代表杂合子和亲本的转录组分析显示,非叠加基因(NAG)的数量相对于叠加基因(NA)虽然很少,但在优势和劣势杂合子间存在显著差异,在优势杂合子中表达水平被上调的NAG,在劣势杂合子中被下调,反之亦然(图2)。在优势杂合子中被下调的NAG数量显著高于被上调的NAG数量,但在劣势杂合子中则相反。说明这些NAG与杂交优势有关。

图2. 酿酒酵母野生菌株杂合子在40°C下生长时非叠加基因的表达水平(A),GO富集分析(B, D)和富集通路网络(C,E)。

GO和KEGG分析发现,在优势杂合子中被下调而在劣势杂合子中被上调的NAG多被富集在与胁迫反应、DNA修复和蛋白质质量控制等相关的通路中,说明劣势杂合子需要更多地应对因高温胁迫而引起的DNA损伤和蛋白质合成与折叠错误等,而高温并未对优势杂合子造成这些损害。在优势杂合子中被上调而在劣势杂合子中被下调的NAG多被富集在一碳代谢和相关通路中(图2)。这些通路与NADPH生成和还原态维持相关,说明杂交优势菌株可更高效地应对高温引起的氧化压力,而劣势菌株则否。

ROS水平测试证实,优势杂合子细胞内的ROS显著低于劣势杂合子和亲本。敲除一碳代谢通路中的关键基因ADE3或MTD1,均可以导致优势杂合子在40°C下细胞ROS水平和NADP+/NADPH比率的显著升高和生长能力的显著降低。加入ROS清除剂N-乙酰-L-半胱氨酸,则可以恢复敲除株在40°C下的生长能力,也可促进劣势杂合子和亲本菌株的生长能力,而对优势杂合子野生型则无影响,甚至有负作用(图3)。说明应对氧化压力效率的差异是引起优势和劣势杂合子及其亲本菌株在高温下生长能力差异的关键因素。

图3. ADE3基因敲除对杂合子在40°C下的生长能力(A, B)和胞内氧化压力(C)的影响。

总之,本研究显示,具有合适遗传距离的野生酿酒酵母菌株杂交可产生显著的杂交优势,优势杂合子可更高效地调控基因表达,在高温胁迫下可通过上调一碳代谢为中心的相关代谢通路,有效地维持细胞氧化还原稳态,从而维持细胞的正常生长。与亲本和劣势杂合子相比,优势杂合子由于不需要上调大量基因以应对DNA和蛋白质损伤及氧化胁迫带来的其他损伤,也表现出更高的能量利用效率。本研究揭示了酿酒酵母杂交优势和高温耐受的新的分子机制,也为动植物杂交优势分子机制的研究提供了新的启示和线索。

本研究以“Improvedredox homeostasis owing to the upregulation of one-carbon metabolism andrelated pathways is crucial for yeast heterosis at high temperature为题,于2021年4月1日正式发表在Genome Research上。论文共同第一作者为本所博士研究生宋亮和史军艳,通讯作者为白逢彦研究员。本研究得到了中国科学院前沿科学重点研究项目和科技部国际合作项目的资助。

原文链接:https://genome.cshlp.org/content/31/4/622.full.pdf+html

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