Comparative Polygenic Analysis of M

Comparative Polygenic Analysis of Maximal Ethanol Accumulation Capacity and Tolerance to High Ethanol Levels of Cell Proliferation in Yeast
Thiago M. Pais,1,2 María R. Foulquié-Moreno,1,2 Georg Hubmann,1,2 Jorge Duitama,3 Steve Swinnen,1,2 Annelies Goovaerts,1,2 Yudi Yang,1,2 Françoise Dumortier,1,2 and Johan M. Thevelein1,2,*
Sue Jinks-Robertson, Editor
Author information ► Article notes ► Copyright and License information ►
This article has been cited by other articles in PMC.
Go to:
Abstract

The yeast Saccharomyces cerevisiae is able to accumulate ≥17% ethanol (v/v) by fermentation in the absence of cell proliferation. The genetic basis of this unique capacity is unknown. Up to now, all research has focused on tolerance of yeast cell proliferation to high ethanol levels. Comparison of maximal ethanol accumulation capacity and ethanol tolerance of cell proliferation in 68 yeast strains showed a poor correlation, but higher ethanol tolerance of cell proliferation clearly increased the likelihood of superior maximal ethanol accumulation capacity. We have applied pooled-segregant whole-genome sequence analysis to identify the polygenic basis of these two complex traits using segregants from a cross of a haploid derivative of the sake strain CBS1585 and the lab strain BY. From a total of 301 segregants, 22 superior segregants accumulating ≥17% ethanol in small-scale fermentations and 32 superior segregants growing in the presence of 18% ethanol, were separately pooled and sequenced. Plotting SNP variant frequency against chromosomal position revealed eleven and eight Quantitative Trait Loci (QTLs) for the two traits, respectively, and showed that the genetic basis of the two traits is partially different. Fine-mapping and Reciprocal Hemizygosity Analysis identified ADE1, URA3, and KIN3, encoding a protein kinase involved in DNA damage repair, as specific causative genes for maximal ethanol accumulation capacity. These genes, as well as the previously identified MKT1 gene, were not linked in this genetic background to tolerance of cell proliferation to high ethanol levels. The superior KIN3 allele contained two SNPs, which are absent in all yeast strains sequenced up to now. This work provides the first insight in the genetic basis of maximal ethanol accumulation capacity in yeast and reveals for the first time the importance of DNA damage repair in yeast ethanol tolerance.
Go to:
Author Summary

The yeast Saccharomyces cerevisiae is unique in being the most ethanol tolerant organism known. This property lies at the basis of its ecological competitiveness in sugar-rich ecological niches and its use for the production of alcoholic beverages and bioethanol, both of which involve accumulation of high levels of ethanol. Up to now, all research on yeast ethanol tolerance has focused on tolerance of cell proliferation to high ethanol levels. However, the most ecologically and industrially relevant aspect is the capacity of fermenting yeast cells to accumulate high ethanol levels in the absence of cell proliferation. Using QTL mapping by pooled-segregant whole-genome sequence analysis, we show that maximal ethanol accumulation capacity and tolerance of cell proliferation to high ethanol levels have a partially different genetic basis. We identified three specific genes responsible for high ethanol accumulation capacity, of which one gene encodes a protein kinase involved in DNA damage repair. Our work provides the first insight in the genetic basis of maximal ethanol accumulation capacity, shows that it involves different genetic elements compared to tolerance of cell proliferation to high ethanol levels, and reveals for the first time the importance of DNA damage repair in ethanol tolerance.
Go to:
Introduction

The capacity to produce high levels of ethanol is a very rare characteristic in nature. It is most prominent in the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is able to accumulate in the absence of cell proliferation, ethanol concentrations in the medium of more than 17%, a level that kills virtually all competing microorganisms. As a result this property allows this yeast to outcompete all other microorganisms in environments rich enough in sugar to sustain the production of such high ethanol levels [1], [2]. Very few other microorganisms, e.g. the yeast Dekkera bruxellensis, have independently evolved a similar but less pronounced ethanol tolerance compared to S. cerevisiae [3]. The capacity to accumulate high ethanol levels lies at the basis of the production of nearly all alcoholic beverages as well as bioethanol in industrial fermentations by the yeast S. cerevisiae. Originally, all alcoholic beverages were produced with spontaneous fermentations in which S. cerevisiae gradually increases in abundance, in parallel with the increase in the ethanol level, to finally dominate the fermentation at the end.

The genetic basis of yeast ethanol tolerance has attracted much attention but until recently nearly all r

Kết quả (Việt) 1:

Phân tích so sánh Polygenic tối đa Ethanol tích lũy năng lực và khả năng chịu Ethanol cao cấp di động phổ biến trong menThiago M. Pais, 1, 2 María R. Foulquié-Moreno, 1, 2 Georg Hubmann, 1, 2 Jorge Duitama, 3 Steve Swinnen, 1, 2 Annelies Goovaerts, 1, 2 Yudi Yang, 1, 2 Françoise Dumortier, 1, 2 và Johan M. Thevelein1, 2, *Sue trò đùa tinh nghịch-Robertson, biên tập viênTác giả thông tin ► bài viết ghi chú ► bản quyền và giấy phép thông tin ►Bài viết này đã được trích dẫn bởi các bài viết khác trong PMC.Đi tới:Tóm tắtNấm men Saccharomyces cerevisiae có thể tích lũy ≥17% ethanol (v/v) bởi quá trình lên men trong sự vắng mặt của sự gia tăng tế bào. Cơ sở di truyền của khả năng độc đáo này là không rõ. Đến nay, tất cả các nghiên cứu đã tập trung vào sự khoan dung của sự gia tăng tế bào nấm men ethanol cao cấp. So sánh công suất tích lũy tối đa cồn và cồn khoan dung di động phổ biến trong 68 chủng nấm men cho thấy một sự tương quan kém, nhưng cao hơn ethanol khoan dung của sự gia tăng tế bào rõ ràng tăng khả năng cao tối đa ethanol tích lũy năng lực. Chúng tôi đã áp dụng segregant gộp lại toàn bộ bộ gen thứ tự phân tích để xác định các cơ sở polygenic của những đặc điểm phức tạp hai segregants từ một đường bội bắt nguồn từ sự căng thẳng vì lợi ích của CBS1585 và sự căng thẳng phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng. Từ một tổng số là 301 segregants, 22 segregants cao cấp tích lũy ≥17% ethanol ở quy mô nhỏ fermentations và segregants cấp trên 32 ngày càng tăng sự hiện diện của 18% ethanol, một cách riêng biệt đã được gộp lại và trình tự. Âm mưu SNP tần số biến thể chống lại nhiễm sắc thể vị trí tiết lộ 11 và 8 định lượng Trait Loci (QTLs) cho các đặc điểm hai, tương ứng, và cho thấy rằng các cơ sở di truyền của các đặc điểm hai là một phần khác nhau. Mỹ-lập bản đồ và tình Hemizygosity phân tích xác định ADE1, URA3 và KIN3, mã hóa một protein kinase tham gia vào các sửa chữa thiệt hại DNA, như gen gây bệnh cụ thể cho khả năng tích lũy tối đa ethanol. Các gen, cũng như các gen MKT1 trước đó được xác định, không được liên kết trong nền tảng này di truyền để khoan dung của tế bào gia tăng đến mức độ cao ethanol. Allele KIN3 cao cấp bao gồm hai SNPs, không có mặt trong tất cả các chủng nấm men trình tự đến nay. Công trình này cung cấp cái nhìn sâu sắc đầu tiên tại cơ sở di truyền của ethanol tối đa năng lực tích lũy trong nấm men và tiết lộ lần đầu tiên quan trọng của DNA thiệt hại sửa chữa trong men ethanol khoan dung.Đi tới:Tác giả tóm tắtNấm men Saccharomyces cerevisiae là duy nhất là hầu hết ethanol khoan dung sinh vật được biết đến. Chỗ ở này nằm tại cơ sở của nó cạnh tranh sinh thái trong hốc sinh thái đường phong phú và nó được sử dụng để sản xuất đồ uống có cồn và cồn nhiên liệu, cả hai đều liên quan đến việc tích lũy của các mức độ cao của etanol. Đến nay, tất cả nghiên cứu về men ethanol khoan dung đã tập trung vào sự khoan dung của tế bào gia tăng đến mức độ cao ethanol. Tuy nhiên, các khía cạnh nhất sinh thái và công nghiệp có liên quan là năng lực của các tế bào nấm men lên men để tích lũy ethanol cao cấp trong sự vắng mặt của sự gia tăng tế bào. Chúng tôi sử dụng bản đồ QTL segregant gộp lại toàn bộ bộ gen thứ tự phân tích, Hiển thị công suất tích lũy tối đa ethanol và khoan dung của tế bào gia tăng đến mức độ cao ethanol có cơ sở di truyền một phần khác nhau. Chúng tôi xác định được 3 gen cụ thể chịu trách nhiệm về khả năng tích lũy cao ethanol, trong đó một gen mã hóa một protein kinase tham gia sửa chữa thiệt hại DNA. Công việc của chúng tôi cung cấp cái nhìn sâu sắc đầu tiên tại cơ sở di truyền của khả năng tích lũy tối đa ethanol, cho thấy rằng nó liên quan đến yếu tố di truyền khác nhau so với khoan dung của tế bào gia tăng đến mức độ cao ethanol và tiết lộ lần đầu tiên quan trọng của việc sửa chữa thiệt hại DNA trong ethanol khoan dung.Đi tới:Giới thiệuKhả năng sản xuất cao cấp của cồn là một đặc tính rất hiếm trong tự nhiên. Nó là nổi bật nhất ở nấm men Saccharomyces cerevisiae, có khả năng tích tụ trong sự vắng mặt của tế bào tăng, nồng độ cồn trong các phương tiện hơn 17%, một mức độ mà giết chết hầu như tất cả các vi sinh vật cạnh tranh. Kết quả này bất động sản cho phép này men để outcompete tất cả các vi sinh vật trong môi trường phong phú đủ đường để duy trì sản xuất như vậy mức độ etanol cao [1], [2]. Rất ít các vi sinh vật, ví dụ như các men Dekkera bruxellensis, đã độc lập phát triển một tương tự nhưng ít hơn rõ nét ethanol khoan dung so với S. cerevisiae [3]. Khả năng tích lũy ethanol cao cấp nằm tại cơ sở sản xuất gần như tất cả các đồ uống có cồn cũng như cồn nhiên liệu trong công nghiệp fermentations bởi cerevisiae S. nấm men. Ban đầu, tất cả các đồ uống có cồn được sản xuất với tự phát fermentations trong đó S. cerevisiae dần dần tăng lên rất nhiều, song song với việc tăng độ cồn để cuối cùng thống trị sự lên men vào cuối.Cơ sở di truyền của men ethanol khoan dung đã thu hút nhiều sự chú ý, nhưng cho đến gần đây gần như tất cả r

Kết quả (Việt) 2:

Phân tích Polygenic so sánh của Công suất cực đại Ethanol Tích lũy và Tolerance cao Ethanol Mức độ phổ biến vũ khí di động trong men
Thiago M. Pais, 1,2 María R. Foulquié-Moreno, 1,2 Georg Hubmann, 1,2 Jorge Duitama, 3 Steve Swinnen, 1,2 Annelies GOOVAERTS, 1,2 Yudi Yang, 1,2 Françoise Dumortier, 1,2 và Johan M. Thevelein1,2, *
Sue Jinks-Robertson, Biên tập viên
tác giả thông tin ► Điều ghi chú ► Bản quyền và Giấy phép thông tin ►
bài viết này có được trích dẫn bởi các điều khoản khác trong PMC.
tới:
Tóm tắt các nấm men Saccharomyces cerevisiae là thể tích lũy ≥17% ethanol (v / v) bằng quá trình lên men trong sự vắng mặt của tăng sinh tế bào. Cơ sở di truyền của khả năng độc đáo này là không rõ. Cho đến nay, tất cả các nghiên cứu đã tập trung vào sự khoan dung của tăng sinh tế bào nấm men đến mức ethanol cao. So sánh khả năng tích lũy ethanol tối đa và khả năng chịu ethanol sản sinh tế bào trong 68 chủng nấm men cho thấy một mối tương quan nghèo, nhưng khoan dung ethanol cao hơn của tăng sinh tế bào tăng lên rõ khả năng khả năng tích lũy ethanol tối đa vượt trội. Chúng tôi đã áp dụng phân tích trình tự toàn bộ hệ gen gộp-segregant để xác định các cơ sở polygenic của hai đặc điểm phức tạp sử dụng segregants từ một đường chuyền của một dẫn xuất đơn bội của sự căng thẳng vì CBS1585 và THEO phòng thí nghiệm căng thẳng. Từ tổng số 301 segregants, 22 segregants cao tích lũy ≥17% ethanol trong quá trình lên men quy mô nhỏ và 32 segregants cao ngày càng tăng trong sự hiện diện của 18% ethanol, được gộp chung riêng và trình tự. Vẽ SNP biến tần chống lại vị trí nhiễm sắc thể tiết lộ mười một và tám lượng Trait loci (QTLs) cho hai đặc điểm, tương ứng, và cho thấy rằng cơ sở di truyền của hai đặc điểm là một phần khác nhau. Fine-lập bản đồ và phân tích đối ứng Hemizygosity xác định ADE1, URA3, và KIN3, mã hóa một protein kinase liên quan đến sửa chữa thiệt hại DNA trong gen nguyên nhân cụ thể cho công suất tích lũy ethanol tối đa. Những gen này, cũng như các gen MKT1 xác định trước đó, không được liên kết trong nền tảng di truyền này để khoan dung của tăng sinh tế bào đến mức độ ethanol cao. Các KIN3 alen cao chứa hai SNPs, mà vắng mặt trong tất cả các chủng nấm men trình tự đến nay. Công việc này cung cấp cái nhìn sâu sắc đầu tiên trong cơ sở di truyền của công suất tích lũy ethanol tối đa trong nấm men và tiết lộ lần đầu tiên quan trọng của việc sửa chữa hư hỏng DNA trong khoan dung men ethanol. Tới: Tóm tắt Tác giả Các nấm men Saccharomyces cerevisiae là duy nhất trong là ethanol nhất sinh vật chịu được biết đến. Khách sạn này nằm tại cơ sở cạnh tranh sinh thái của nó trong hốc sinh thái đường giàu và sử dụng nó để sản xuất đồ uống có cồn và ethanol sinh học, cả hai đều liên quan đến sự tích tụ của các cấp cao của ethanol. Cho đến nay, tất cả các nghiên cứu về khả năng chịu men ethanol đã tập trung vào sự khoan dung của tăng sinh tế bào đến mức độ ethanol cao. Tuy nhiên, các khía cạnh sinh thái nhất và công nghiệp có liên quan là năng lực của quá trình lên men tế bào nấm men để tích lũy độ cồn cao của sự vắng mặt của tăng sinh tế bào. Sử dụng bản đồ QTL của phân tích trình tự toàn bộ hệ gen gộp-segregant, chúng tôi cho thấy rằng tối đa khả năng tích lũy ethanol và khoan dung của tăng sinh tế bào đến mức độ ethanol cao có một cơ sở di truyền một phần khác nhau. Chúng tôi xác định ba gen cụ thể chịu trách nhiệm cho khả năng tích lũy ethanol cao, trong đó có một gen mã hóa một protein kinase liên quan đến sửa chữa thiệt hại DNA. Công việc của chúng tôi cung cấp cái nhìn sâu sắc đầu tiên trong cơ sở di truyền của công suất tích lũy ethanol tối đa, cho thấy nó liên quan đến yếu tố di truyền khác nhau so với khoan dung của tăng sinh tế bào đến mức độ ethanol cao, và tiết lộ lần đầu tiên quan trọng của việc sửa chữa hư hỏng DNA trong khoan dung ethanol. tới: Giới thiệu Năng lực sản xuất cao cấp của ethanol là một đặc tính rất hiếm trong tự nhiên. Nó là nổi bật nhất trong nấm men Saccharomyces cerevisiae, có khả năng tích lũy trong sự vắng mặt của tăng sinh tế bào, nồng độ ethanol trong môi trường của hơn 17%, một mức mà giết chết hầu như tất cả các vi sinh vật cạnh tranh. Kết quả là tài sản này cho phép men này để outcompete tất cả các vi sinh vật khác trong môi trường đủ giàu đường để duy trì việc tạo ra lượng ethanol cao như vậy [1], [2]. Rất ít các vi sinh vật khác, ví dụ như các bruxellensis men Dekkera, đã độc lập phát triển một khả năng chịu ethanol tương tự nhưng ít rõ rệt hơn so với S. cerevisiae [3]. Khả năng tích lũy độ ethanol cao nằm ở cơ sở sản xuất gần như tất cả các loại đồ uống có cồn cũng như ethanol sinh học trong quá trình lên men công nghiệp của các nấm men S. cerevisiae. Ban đầu, tất cả các loại đồ uống có cồn được sản xuất với quá trình lên men tự nhiên trong đó S. cerevisiae tăng dần trong sự phong phú, song song với sự gia tăng mức độ ethanol, để cuối cùng thống trị lên men ở cuối. Cơ sở di truyền của sự khoan dung ethanol men đã thu hút nhiều sự chú ý nhưng cho đến gần đây gần như tất cả r