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)

　　

摘要

背景

由于发酵抑制剂的存在，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）来说是一个重大挑战。对耐逆性酿酒酵母菌株进行数量性状位点（QTL）定位对于识别能够增强酵母对LCHs发酵能力的适应性等位基因非常重要。然而，QTL定位过程非常耗时，需要筛选大量的重组体并进行多次杂交以提高定位精度。

结果

我们开发了一种称为“重复质量选择与回交”（ReMaSSing）的方法，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。该方法将耐逆性酵母PE-2_H4与实验室菌株S288C进行杂交，得到相应的菌群。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菌群，并在标准培养基或添加了LCH的培养基中繁殖这些菌群，从而富集出携带适应性等位基因的个体。随后将这些富集菌群与S288C进行大规模回交，产生的数百万孢子经过萌发后形成了新的重组菌群，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等基因相关，这些基因影响S288C的生长和线粒体功能。我们还定位了S288C菌株特有的IRA1和HTA1基因的突变，这表明ReMaSSing能够“优化”S288C的基因背景，即通过选择去除有害变异。等位基因交换和竞争实验验证了这些QTL确实提高了LCH耐受性和生长性能，结合了适应性等位基因的菌株表现优于亲本S288C超过20%。最后，通过将ReMaSSing应用于与木糖消耗菌株的杂交育种，获得了能够更好地发酵富含木糖的LCH的重组菌株。

结论

ReMaSSing提供了一种实用的方案，用于生成QTL定位菌群，以识别耐受性菌株中的适应性等位基因并修复低效菌株中的遗传缺陷。值得注意的是，由ReMaSSing产生的重组菌群和克隆在LCH耐受性和生长性能上都优于亲本菌株。此外，我们利用ReMaSSing培育出了具有增强LCH耐受性、高效木糖代谢能力和强劲乙醇生产能力的菌株。这些结果共同证明了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。