双相Hog1激活与转运体基因重编程揭示食品嗜渗酵母极端糖耐受的分子机制

为解决酵母在极端高糖环境下的生存机制差异问题，研究人员系统比较了Z. rouxii和S. cerevisiae在60%(w/v)葡萄糖胁迫下的表型特征、Hog1磷酸化动力学及转录组变化。研究发现Z. rouxii通过瞬时激活Hog1-Hsp70耦合修复机制和低亲和转运体基因(FFZ2:25.8倍)的差异表达实现细胞体积恢复，而S. cerevisiae则因Hog1持续激活和高亲和转运体(HXT3/4)上调导致不可逆崩溃。该研究为工程化改造微生物糖耐受性提供了重要靶点。

　　

在食品工业与基础生物学研究领域，酵母对高糖环境的适应能力一直是个引人入胜的科学谜题。虽然酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为模式生物已被广泛研究，但当葡萄糖浓度超过50%(w/v)这个临界值时，其生长就会受到严重抑制。这直接制约了其在浓缩果汁、糖浆等高渗食品加工中的应用。相比之下，鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)却能耐受高达75%(w/v)的葡萄糖浓度，这种"超能力"背后的分子机制却鲜为人知。更令人困惑的是，这两种酵母都拥有保守的Hog1-MAPK(丝裂原活化蛋白激酶)信号通路，为何在相同胁迫下命运迥异？

西北农林科技大学的研究人员通过多组学联用策略，在《Food Microbiology》发表的研究揭开了这一谜题。研究团队采用表型追踪、激酶活性动态监测和转录组分析等方法，系统比较了两种酵母在60%(w/v)极端高糖胁迫下的响应差异。关键技术包括：细胞存活率与体积动态监测、磷酸化Hog1(p-Hog1)Western blot定量、Hsp70相互作用验证，以及基于RNA-seq的差异表达基因(DEGs)分析，其中测试菌株Z. rouxii BW-WHX-12-54分离自浓缩苹果汁。

【Test strains and experimental chemicals】部分显示，研究采用极端嗜渗的Z. rouxii BW-WHX-12-54(分离自苹果汁)和模式菌株S. cerevisiae ATCC 38531作为对比系统。

【The effect of extremely high glucose stress on survival and cell volume】揭示表型差异：Z. rouxii在60%(w/v)葡萄糖中存活率保持80%以上，并能恢复初始细胞体积的92%；而S. cerevisiae存活率骤降至20%，细胞体积发生不可逆收缩。这种差异暗示两者存在本质不同的渗透适应策略。

【Conclusion】部分的核心发现是：Z. rouxii通过双相Hog1调控实现极端糖耐受——初期快速磷酸化激活Hog1启动应激响应，随后Hsp70分子伴侣介导Hog1去磷酸化实现信号关闭；而S. cerevisiae则表现为Hog1持续激活。对应的转录组数据显示：S. cerevisiae上调高亲和转运体基因HXT3(5.2倍)和HXT4(4.7倍)，而Z. rouxii特异性诱导低亲和转运体基因ZYRO0F02090(FFZ2，25.8倍)和ZYRO0E10054(FFZ1，1.6倍)。值得注意的是，在70 °Brix苹果汁(复合糖)胁迫下，除FFZ2和FLR1(ZYRO0E09988)呈现胁迫特异性诱导外，其他转运体基因表达模式与纯葡萄糖胁迫相似。

这项研究的重要意义在于：首次阐明Hog1激酶的动态调控模式与转运体基因表达谱的协同进化是酵母极端糖耐受的关键；提出的"双相激活-差异表达"模型为理解真核生物极端环境适应提供了新范式；鉴定的FFZ2等低亲和转运体靶点可直接用于工业菌株改造。正如作者指出，该发现不仅对高糖食品发酵工艺优化具有指导价值，其揭示的Hsp70-Hog1调控机制也可能为人类高血糖相关疾病研究提供新视角。