[科普中国]-酿酒酵母

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），又称面包酵母或者出芽酵母。酿酒酵母是与人类关系最广泛的一种酵母，用于制作面包和馒头等食品及酿酒。酿酒酵母的细胞为球形或者卵形，直径5-10μm。其繁殖的方法为出芽生殖。酿酒酵母与同为真核生物的动物和植物细胞具有很多相同的结构，又容易培养，酵母被用作研究真核生物的模式生物。1酿酒酵母被认为是最具潜力的大规模生产菌种。野生型酿酒酵母的主产物为乙醇。2

酿酒酵母是第一个完成基因组测序的真核生物，测序工作于1996年完成。同时，酿酒酵母是发酵中最常用的生物种类。1酿酒酵母具有生长周期短、发酵能力强、容易进行大规模培养以及含有多种蛋白质、氨基酸、维生素、生物活性物质等丰富的营养成分等优点，一直是基础及应用研究的主要对象，在食品、医药等领域应用广泛。3酿酒酵母也被用于其他具有重要工业价值代谢产物的发酵。4

酵母介绍在人类历史进程中，酒类饮品在经济和文化等方面发挥着独特而重要的作用，考古证据表明最古老的酿造酒出现在公元前7000年的中国，是多种微生物共同作用的产物，其中最主要的是酵母菌。6

酵母菌是一类单细胞真核微生物的总称，并非是自然的系统分类单元，其泛指能够发酵糖类的各种单细胞真菌，是一个复杂的类群。7酵母广泛分布于自然界，喜在糖分高、偏酸性的环境中生长；其形态多样，因种而异，常见的有球形、椭圆形、卵圆形、柠檬形等，细胞大小因种类差别很大，一般直径 1-5 μm，长 5-30 μm 或更长。酵母具有繁殖快，生长周期短（一般每1.5-2 h增殖一代），代谢旺盛，且菌体营养丰富等特点；酵母是兼性微生物，在有氧呼吸或无氧发酵条件下都能生长，厌氧发酵可以获得代谢产物（如酒精、各种酒类、甘油、酶等），耗氧发酵可以获得酵母细胞或细胞组成成分；酵母菌生长繁殖所需的能量主要来自糖类的分解代谢，可以利用多种不同的单糖和低聚糖、非碳水化合物（如多元醇、石油裂解物）、工业生产的碳源（如糖质原料糖蜜、淀粉质原料玉米和大麦等谷物、含糖废液、亚硫酸盐废液）等。8

酵母菌的分类一直充满着挑战和争议，在分子生物学技术应用于物种分类之前，经典分类学方法主要从形态、繁殖和生理特征来进行酵母的分类，然而这些指标具有极大的局限性，酵母菌的特征可能随着培养基成分和生长阶段的改变而发生变化。截止到1998年，已描述的酵母菌达到95属，723种，目前荷兰微生物菌种保藏中心保藏有900种。常见的重要酵母菌各属有酿酒酵母属（Saccharomyces）、裂殖酵母属（Schizosaccharomyces）、汉逊酵母属（Hansenula）、毕赤酵母属（Pichia）、假丝酵母属（Candida）、球拟酵母属（Torulopsis）和红酵母属（Rhodotorula）等，其中酿酒酵母属是目前研究最透彻、对人类社会贡献最大的酵母属，是酿酒工业的主要菌种，还用于制造面包、糕点及医药工业等。7

有关酿酒酵母属的研究可以追溯到1838年，当时Meyen首次提出了Saccharomyces这一属名，并采用双名法将酿酒酵母命名为Saccharomyces cerevisiae，Reess于1870年首次描述这一种属为具有酒精发酵能力的真菌，并将酿酒酵母命名为巴氏酵母（Saccharomyces pastorianus）。1975年，Yarrow和Nakase建立了酿酒酵母属的7种系统，之后经过多年的分子生物学鉴定和修正，直到1998年酿酒酵母属的种数被鉴定为16个，其中的酿酒酵母（S. cerevisiae）是酒精生产和果汁发酵酿酒的主要菌种。7酿酒酵母通过代谢水果、谷物、蜂蜜和其它原料中的糖产生酒精。酒精发酵以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为主，但许多非酿酒酵母（non-Saccharomyces）也参与其中。6酿酒酵母也称为面包酵母或啤酒酵母，因为最早人们利用它进行啤酒和面包的工业化生产，后来人们从葡萄酒中分离培养出不同的菌株，进一步将其分为果酒用酵母、啤酒用酵母和焙烤用酵母等不同类别。9

目前发现超过1500种的酵母，已鉴定700多种，但只有一少部分在工业中使用。酵母菌具有优良的发酵特性和营养特性，在实际生产中可以根据对酵母细胞数量、细胞组成成分的需求，或者对酵母代谢产物的需求，按照不同日的来确定酵母发酵的生产工艺。工业上常用的酵母种类有酿酒酵母、异常汉逊氏酵母、粟酒裂殖酵母、黏红酵母、热带假丝酵母、产朊假丝酵母、解脂假丝酵母、巴斯德毕赤酵母等。目前酵母及酵母衍生物已广泛应用于食品（酿酒、烘焙与中式发酵、调味品生产等）、医药和化工（即食营养酵母，酵母谷胱甘肽，核糖核酸、B族维生素、酵母多糖、麦角固醇等），农业（单细胞蛋白饲料、农业肥料、益生菌等）、生物能源（燃料乙醇）、生物工程（基因工程的受体菌）等领域。8

基因组序列1996年6月，在国际互联网的公共数据库中公布了酿酒酵母的完整基因组顺序，它被称为遗传学上的里程碑。因为首先，这是人们第一次获得真核生物基因组的完整核苷酸序列；其次，这是人们第一次获得一种易于操作的实验生物系统的完整基因组。10

在酿酒酵母测序计划开始之前，人们通过传统的遗传学方法已确定了酵母中编码RNA或蛋白质的大约2600个基因。通过对酿酒酵母的完整基因组测序，发现在12068kb的全基因组序列中有5885个编码专一性蛋白质的开放阅读框。这意味着在酵母基因组中平均每隔2kb就存在一个编码蛋白质的基因，即整个基因组有72%的核苷酸顺序由开放阅读框组成。这说明酵母基因比其它高等真核生物基因排列紧密。如在线虫基因组中，平均每隔6kb存在一个编码蛋白质的基因；在人类基因组中，平均每隔30kb或更多的碱基才能发现一个编码蛋白质的基因。酵母基因组的紧密性是因为基因间隔区较短与基因中内含子稀少。酵母基因组的开放阅读框平均长度为1450bp即483个密码子，最长的是位于Ⅻ号染色体上的一个功能未知的开放阅读框（4910个密码子），还有极少数的开放阅读框长度超过1500个密码子。在酵母基因组中，也有编码短蛋白的基因，例如，编码由40个氨基酸组成的细胞质膜蛋白脂质的PMP1基因。此外，酵母基因组中还包含：约140个编码RNA的基因，排列在Ⅻ号染色体的长末端；40个编码SnRNA的基因，散布于16条染色体；属于43个家族的275个tRNA基因也广泛分布于基因组中。10

序列特征

遗传信息分布在16个染色体中。其中有大约1/3的编码基因被认为是“孤儿”基因，也就是说，这些基因没有已知功能，这是因为这些基因的转录产物与酿酒酵母成其他生物所赋子功能的基因缺乏重要的同源性。这一数据仍在不断的体改中。11

此染色体是由高、低G-C含量DNA结构域交替组成的，这和基因密度在染色体中的变化是呈相关性的。比如在染色体中已经证实了碱基组成的周期性变化与染色休臂重组频率的变化是平行的，富含G-C区的波峰总与每一个染色体臂中的高度重组区相重合，而富含A-T区的波谷总与低度重组的着丝点和端粒序列相重合。也有实验证实，在酵母菌中与遗传重组起始有关的基因双链分离现象，与此染色体中富含G-C的区域直接相关。11

酵母基因组另一个明显的特征是含有许多DNA重复序列，其中一部分为完全相同的DNA序列，如rDNA与CUP1基因、Ty因子及其衍生的单一LTR序列等。在开放阅读框或者基因的间隔区包含大量的三核苷酸重复，引起了人们的高度重视。因为一部分人类遗传疾病是由三核苷酸重复数目的变化所引起的。还有更多的DNA序列彼此间具有较高的同源性，这些DNA序列被称为遗传冗余（genetic redundancy）。酵母多条染色体末端具有长度超过几十个kb的高度同源区，它们是遗传丰余的主要区域，这些区域至今仍然在发生着频繁的DNA重组过程。遗传冗余的另一种形式是单个基因重复，其中以分散类型最为典型，另外还有一种较为少见的类型是成簇分布的基因家族。成簇同源区（cluster homology region，简称CHR）是酵母基因组测序揭示的一些位于多条染色体的同源大片段，各片段含有相互对应的多个同源基因，它们的排列顺序与转录方向十分保守，同时还可能存在小片段的插入或缺失。这些特征表明，成簇同源区是介于染色体大片段重复与完全分化之间的中间产物，因此是研究基因组进化的良好材料，被称为基因重复的化石。染色体末端重复、单个基因重复与成簇同源区组成了酵母基因组遗传丰余的大致结构。11

研究表明，遗传冗余中的一组基因往往具有相同或相似的生理功能，因而它们中单个或少数几个基因的突变并不能表现出可以辨别的表型。11

形态特征

酿酒酵母是单细胞，卵圆形或球形，具细胞壁、细胞质膜、细胞核（极微小，常不易见到）、液泡、线粒体及各种贮减物质，如油滴、肝糖等 。12酿酒酵母生长在麦芽汁琼脂培养基上的酿酒酵母菌落为乳白色，有光泽、平坦、边缘整齐；细胞宽度2.5-10 μm，长度 4.5 -21 μm，长与宽之比为 1 -2，多为圆形、卵圆形或卵形。8

酿酒酵母细胞壁为双层结构，内层是由β-1，3-葡聚糖和 β-1，6-葡聚糖组成的葡聚糖层，在出现牙痕的附近还含有一定数量的几丁质。外层是由性质不同的各种甘露糖蛋白组成。在酵母细胞壁中，甘露糖蛋白是酵母细胞壁的重要组成部分，它除了可以参与酵母细胞之间的交配外，还与菌落形态变化以及生物大分子的免疫识别等相关。3

酿酒酵母与细菌相比，在细胞大小、细胞壁组成、生长温度等方面都有很大差异（详见下表2）。8

|| || 酿酒酵母与细菌比较基本特征的差异