酿酒酵母(酵母科酵母属的一种真菌生物)

来源：互联网

酿酒酵母（拉丁学名：Saccharomyces cerevisiae），又称面包酵母、芽殖酵母或啤酒酵母，是酵母科酵母属的一种单细胞真菌生物，也是与人类关系最为密切的微生物之一。1838年，J.迈耶在啤酒中观察到该菌株并命名，丹麦生物学家E.C.汉森于1883年对其进行了正式描述。

酿酒酵母细胞呈圆形、椭圆形、卵形、腊肠形。营养细胞可直接形成子囊，每个子囊有孢子1～4个，圆形、光面。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微米，长度4.5～21微米。在纯培养状态下菌落呈奶油状，自制淡奶油色，表面光滑，中间常凸起，细胞直径为3～10微米。酿酒酵母广泛分布于自然界，喜在糖分高、偏酸性的环境中生长，在25～35℃下生长良好。可强力发酵葡萄糖，一般可发酵半乳糖、蔗糖、麦芽糖和棉子糖（棉子糖），但不能发酵乳糖。酿酒酵母具有无性和有性两种繁殖方式，并具有一个独特的生命周期，通常以二倍体形式生长，并通过多边出芽方式进行无性繁殖。

酿酒酵母是最早被分离培养的微生物之一，因其具有明确和易诱导的有性生殖阶段，逐渐成为遗传学、细胞生物学和分子生物学等研究领域中被广泛应用的模式生物。其基因组于1996年被全部测定，酿酒酵母因此成为全基因组被精确测定的第一种真核生物生物。酿酒酵母具有16条染色体，基因组大小约为12兆核苷酸碱基对，大约含有6000个基因，其中大约2/3以上基因的功能已被确定，成为现代基因组学、系统生物学和合成生物学等研究中不可替代的模式物种和参照物种。酿酒酵母广泛用于生物医药、食品、轻工业和生物能源等领域，生产重组蛋白、天然活性物质、有机酸和燃料乙醇等产品。

命名

1838年，J.迈耶在啤酒中观察到该菌株并命名，丹麦生物学家E.C.汉森于1883年对其进行了正式描述。

起源与演化

酵母菌的驯养史可追溯到约9000年前，与主要动植物约10000年的驯养史相似。但对酵母驯养的研究远滞后于动植物驯养研究，动植物驯养研究始于查尔斯·达尔文时代，已有150多年历史，而酵母驯养研究近期才开始，部分原因是缺乏对野生酿酒酵母的了解和合适的野生群体作为参照。2005年有研究首次证明酿酒酵母存在明确的野生和驯养群体，此后聚焦于酿酒酵母遗传多样性、群体遗传学和群体基因组学的研究逐渐增多，识别出更多驯养和野生酿酒酵母谱系。

2009年，研究人员对来自世界各地的38株酿酒酵母和35株野生姊妹种奇异酿酒酵母进行群体基因组学分析，在酿酒酵母中界定了马来西亚、北美、日本清酒、西非和 “葡萄酒 / 欧洲”5个主要谱系，在奇异酿酒酵母中界定了欧洲、远东、美洲和夏威夷王国4个谱系。该研究还表明，全球酿酒酵母菌株的遗传多样性非常有限，仅相当于一个单一的奇异酿酒酵母群体。2015年发表的100株酿酒酵母基因组计划研究结果，与2009年的结果基本相似，显示出主要由上述5个谱系组成的群体结构，以及主要由临床来源菌株构成的马赛克组。此外，有研究利用微阵列分析技术提取63株酿酒酵母的基因组单核苷酸多态性数据进行系统发育分析，识别出葡萄酒、日本清酒和实验室3个不同谱系；还有研究使用限制性位点相关测序策略对262株酿酒酵母菌进行基因分型，识别出与地理来源相关的欧洲、北美、亚洲和非洲 / 东南亚群体，以及来自特定发酵环境的小族群，并认为酿酒酵母可能具有更高的遗传多样性和更复杂的群体结构，还有更多谱系有待发现。

此前关于酿酒酵母的群体遗传和群体基因组研究中，所用菌株主要来自发酵和人工环境，野生菌株很少，且部分被认为是真正野生菌株的橡树来源菌株，其分离源常位于人造林或公园，无法排除与人类活动的关联。后来，有实验室对102株不同地理和生态来源的中国野生酿酒酵母菌株（含30多株来自原始森林的菌株）进行群体遗传学分析，发现野生菌株具有超出预料的高度遗传多样性，展现出由高度分化谱系组成的清晰群体结构，还从中国菌株中鉴定出8个新的野生谱系。这一结果首次展示了酿酒酵母从原始森林到人工林、果园，再到发酵环境的演化趋势，否定了酿酒酵母只是一个驯养种的观点，也消除了其能否作为生态学和生物地理学研究模式生物的疑虑。对全球来源酿酒酵母遗传多样性的分析发现，中国野生酿酒酵母菌株贡献了该种的大部分遗传变异，其遗传多样性比世界其他地区所有菌株的遗传多样性高出近一倍，且系统演化树上位于基部的该种最古老谱系，均由中国菌株构成，为酿酒酵母起源于东亚的假说提供了有力证据，并表明该种最可能起源于中国。

近年来，不同实验室对生态和地理来源更广泛多样的酿酒酵母菌株进行基因组测序，已有超过2300株酿酒酵母的基因组序列数据公布。这些菌株覆盖全球93个国家或地区，但地理来源不均衡，大多来自少数几个国家，其中中国的菌株最多，包括中国大陆340 多株和中国台湾120多株；且菌株的生态来源也不均衡，与葡萄酒酿造相关的菌株比例过高。法国两个实验室联合完成了迄今为止规模最大的酿酒酵母基因组测序项目，对918株国际来源的酿酒酵母菌株进行基因组测序，并整合之前已测序的93株菌的基因组数据，对共1011株酿酒酵母进行群体基因组分析，确定了26个进化分支或谱系，包括10个驯养分支、11个野生分支、5个尚未明确标定的分支以及3个杂合类群。基于全基因组单核苷酸多态性的系统发育基因组和主成分分析结果，支持酿酒酵母起源于中国的假说，并认为中国以外的酿酒酵母群体可能起源于该种的单次走出中国事件。

来自中国的菌株对酿酒酵母起源与演化研究至关重要，但在上述1011株酿酒酵母的群体基因组研究项目中，中国的野生和驯养菌株非常有限，仅包含中国大陆9株野生菌株和2株驯养菌株。与此同时，有实验室对中国不同地理和生态来源的106株野生和160 株驯养酿酒酵母菌株进行基因组测序，这些菌株包括来自原始森林的最古老野生谱系和传统古法酿造过程的驯养谱系，还整合了全球来源共287株酿酒酵母的基因组数据。通过对代表全球最高遗传多样性的 553 株野生和驯养酿酒酵母菌株进行群体基因组分析，更清晰地揭示了野生和驯养群体间的明确分化。在野生群体中，中国野生菌株聚集成10个不同谱系，除了之前识别的 8 个野生谱系外，还发现了2个新谱系，其中分离自神农架林区原始森林的谱系是目前已知的酿酒酵母最古老谱系，该谱系的发现使酿酒酵母的全球遗传多样性增加了约三分之一，为该种起源于中国 / 东亚的说法提供了更充分的证据。

分类

群体

酿酒酵母的驯养群体包含2个主要类群，分别与液态发酵（liquid-state 发酵, LSF）和固态发酵（固体state fermentation, SSF）过程相关。SSF类群包含白酒、黄酒、青稞酒和馒头谱系，全部来自东亚。先前研究中确认的日本清酒（Sake）谱系属于黄酒谱系的一个子分支，说明日本清酒发酵菌株可能起源于中国黄酒菌株。LSF类群则具有世界范围的地理来源，包括活性干酵母（active dry 酵母浸膏, ADY）、发酵乳、葡萄酒和啤酒等谱系。ADY谱系主要由用于面团发酵（固态发酵）的商业酵母菌株组成。该谱系聚集在与啤酒和葡萄酒谱系密切相关的LSF类群中，表明商业面包酵母可能最初是从欧洲啤酒或葡萄酒菌株中培育而来。中国驯养菌株的遗传多样性明显高于世界其他地区，表明中国/东亚地区也是酿酒酵母驯养群体的起源中心。

非洲具有悠久的发酵食品制作历史和丰富多样的传统发酵食品和酒精饮料，实际上也有人提出过酿酒酵母最先在非洲被人类利用和驯养的假说]。但在以前的酿酒酵母群体基因组研究中，来自非洲的菌株很有限，对非洲野生和驯养酿酒酵母的遗传多样性缺乏充分的了解。实验室对来自非洲不同国家本土发酵食品和森林的64株酿酒酵母菌株进行了基因组测序，并整合了以前研究中测序的代表酿酒酵母所有已知谱系的486株菌的基因组数据，进行了综合的系统发育分析。除了前人研究中已识别的非洲棕榈酒和西非可可谱系外，从非洲菌株中识别出了4个新谱系，即毛里求斯/南非谱系、南非啤酒谱系、西非啤酒谱系和非洲蜂蜜酒谱系（图 3）。非洲棕榈酒谱系与确认的亚洲岛屿谱系形成高支持度的姊妹谱系，并位于野生群体的顶部，说明这2个谱系可能代表从野生向驯养转化的过渡谱系。毛里求斯/南非谱系位于固态发酵（SSF）类群的基部，非洲可可、啤酒和蜂蜜谱系位于液态发酵（LSF）类群的基部。

形态特征

酿酒酵母菌细胞呈圆形、椭圆形、卵形、腊肠形。营养细胞可直接形成子囊，每个子囊有孢子1-4个，圆形、光面。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微米，长度4.5～21微米，长与宽之比为1:2，多为圆形、卵圆形或卵形。在纯培养状态下菌落呈奶油状，自制淡奶油色，表面光滑，中间常凸起。细胞一般为球形或卵形，直径为3～10微米。

物质结构

酿酒酵母细胞壁是一个动态的且被调控得非常有序的细胞结构，其结构和组成被严格调控并能通过全局应答系统对环境变化作出广泛地响应。

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甲壳质。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。当酵母细胞的生长环境发生异常变化或细胞壁结构受到破坏时，细胞壁表面感受压力因子将信号传递给细胞，然后再通过细胞壁完整性（Cell wall integrity,CWI）途径或高渗透性丙三醇（High osmolarity glycerol,HOG）途径等及时进行调节，来抵抗不良环境，减少对细胞的损害。

酿酒酵母在传代的过程中，酵母细胞壁内层的骨架结构成分葡聚糖所占比例随着代数的增加逐渐积累，而对细胞壁蛋白起修饰作用的甘露糖含量则逐渐减少。研究表明当这些酵母细胞处于营养匮乏的环境中时，细胞壁的变化更加明显，正常发酵条件下酵母细胞壁的厚度增加趋势缓慢，而在营养匮乏的条件下，厚度增加的趋势明显加快，第一代细胞壁厚度维持在0.2 微米左右，到了第5代已经达到0.3 微米左右。分析酵母菌骨架结构层（葡聚糖）的聚合度变化时，发现在传代过程中，酵母菌细胞壁内层葡聚糖的聚合度随着代数的增加而逐渐降低，而且葡聚糖组成中的 β-1,6-糖苷比例降低，β-1,3-糖苷键比例增加。

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）：

生态分布

发现酿酒酵母在原始森林等自然环境中普遍存在，并可能偏好阔叶树树干、腐木和周围土壤等生境。中国酿酒酵母的遗传多样性显著高于世界其他地区，该物种最古老的谱系也仅发现于中国，说明中国可能是该物种的起源地。生态适应是塑造该物种群体结构的主要力量，导致其野生和驯养群体之间的明显分化。驯养群体又分化为固态发酵和液态发酵两大类群，每个类群内又形成不同的驯养谱系。该物种野生群体的遗传多样性远高于其驯养群体，而野生群体遗传多样性的形成主要由中性突变引起。中国野生和驯养群体在麦芽糖利用能力、基因组杂合性、子囊孢子形成率和孢子活力等方面表现出显著差异，表明这2个群体采取不同的生活策略来适应其不同的生活环境。驯养群体通过群体或谱系特异性基因拷贝数、基因含量和等位基因分布等变异，并通过横向转移以及基因渐渗获得外源基因等方式，实现对特定生态位的适应。

自然界

酿酒酵母最初是从发酵环境中被发现的，并普遍存在于富含糖类的食品和饮料发酵过程中，很少从野外自然环境中被分离到，因此曾经被认为是一种被完全驯养的微生物。偶尔从野外分离的酿酒酵母菌株，被认为可能是从发酵环境中逃逸出去的。然而，早期日本学者进行的野外调查表明，酿酒酵母从森林样品，包括土壤、腐叶和树皮中被分离出的几率很高，意味着该物种可能在自然界中普遍存在。随后，越来越多的研究还表明，除葡萄园等果园外，酿酒酵母还可能广泛分布在于森林等野外环境中。

基于酿酒酵母常在富含糖的发酵环境中占主导地位的现象，一般认为酿酒酵母在葡萄园等果园中应该很常见。从葡萄果实中分离出该种酵母的成功率却很低。宏基因组测序数据也表明，与其他类群的酵母菌相比，葡萄园成熟葡萄上的酿酒酵母非常罕见。2012年报道的野外调查工作共采集了2064份样品，分离结果表明，从水果样品中分离出酿酒酵母的成功率（6.5%）低于从腐木（9.2%）、土壤（10.8%）和树皮（16.5%）样本。从森林土壤样品中分离出酿酒酵母的频率（13.7%）高于果园土壤样品（9.1%）。在采集的各种水果样品中，从葡萄样品中分离到酿酒酵母的成功率最低（1.8%）。

酿酒酵母及同属的野生姊妹种奇异酿酒酵母（S. paradoxus）经常从橡（栎）树树皮中被分离出来，导致有人认为橡树可能是酿酒酵母在自然界中的首选生态位。这种观点可能源自许多研究者的偏好性调查。因为S. paradoxus等野生酵母最初是从橡树上被发现的，所以后来的研究者更多地采集橡树样品来分离野生酿酒酵母。

大规模野外调查结果表明，从采集的100份以上的针叶树皮样品中，均未分离到酿酒酵母和同属的其他种，说明针叶树并非其栖居环境。从36种阔叶树树皮样本中分离到了酿酒酵母，且从阔叶树皮上分离到酿酒酵母的成功率远高于水果、土壤和腐木样品。在总共392个橡树等栎属（Quercus）植物树皮样本中，51个（13.0%）含有酿酒酵母。，采集的壳斗科（Fagaceae）其他属树皮样本，显示了比栎属植物更高的酿酒酵母分离率，包括栗属（Castanea）（18.5%）、锥栗属（Castanopsis）（57.9%）和青冈属（Cyclobalanopsis）（55.6%）。榆树（Ulmus macrocarpa）树皮样本的酿酒酵母分离率（28.6%）也比栎树高得多。Barbosa等调查了酿酒酵母在巴西的野外分布，那里没有原生橡树或其他壳斗科树种。从巴西常见的本地树种圭亚那合作共和国漆树Tapirira guianensis （漆树科Anacardiaceae）树皮中分离出酿酒酵母的成功率为13%，而其他树皮样本的分离率为4%。他们从外来的北美红橡树（Quercus rubra）的树皮样本中分离出酿酒酵母的成功率高达71% （但仅采集了7个样本）。酿酒酵母在野外可能更偏好壳斗科植物以及其他一些阔叶树树皮、树干分泌物和周围土壤等生境，但尚需更全面的系统调查来进行核实。

实验室

以前很少从野外分离到酿酒酵母也与分离方法有关。使用常用的稀释铺平板法可以很容易地将酿酒酵母从富含糖的发酵基物中分离出来，因这种酵母在高糖环境中常常被自然富集。但用常规方法却很难将其从低糖含量或非发酵基物中分离出来。研究者发现使用含有乙醇的富集培养基可提高从葡萄果实上分离出酿酒酵母的几率。Sniegowski等用含7%–8%乙醇的富集培养基也从森林等非高糖基物中成功分离出酿酒酵母和其姊妹种。这一乙醇富集方法被后续研究者普遍采用，但不同研究者常对培养基中的碳、氮源以及乙醇和抗生素浓度等进行细微调整。

实验室对酿酒酵母在自然界中的分布进行了系统调查，样品采集的数量和多样性、覆盖环境的多样性和气候带范围都超过了以往的调查。成功地从水果、树皮、土壤和腐木样品中分离出大量酿酒酵母菌株，这些样品来自热带至温带的果园和人工林、次生林和原始森林。我们实验室的工作清楚地表明酿酒酵母广泛存在于自然界各种不同的生态环境中，并首次证明该种广布于人迹罕至的原始森林中。

生长习性

酿酒酵母喜在糖分高、偏酸性的环境中生长。酿酒酵母在25～35℃下生长良好，大多可在37～40℃下生长。可强力发酵葡萄糖，一般可发酵半乳糖、蔗糖、麦芽糖和棉子糖（棉子糖），但不能发酵乳糖。

酵母是兼性厌氧微生物，在有氧呼吸或无氧发酵条件下都能生长。酿酒酵母在无氧和有氧条件下，均可以通过糖酵解途径代谢糖类化合物，在获取能量的同时释放CO₂和乙醇。乙醇可抑制其他微生物的生长，当糖类物质被耗尽后，酵母细胞可利用积累的乙醇继续生长，从而实现原始的“生产—积累—消费”模式的生活策略，并获得对其他微生物的竞争优势。酿酒酵母正是因其具有将糖类快速降解为CO₂和乙醇的能力而被人类用于生产各种发酵食品和饮料。考古学发现酿酒酵母被人类利用的历史已有近万年，因此被称为“第一种家养微生物”。

交配繁殖

酿酒酵母具有无性和有性2种繁殖方式，并具有一个独特的生命周期。酿酒酵母通常以二倍体形式生长，最适生长温度通常为30 ℃左右，并通过多边出芽方式进行无性繁殖，故又被称为芽殖酵母（真菌丝酵母浸膏）。在营养耗尽，特别是氮饥饿状态下进入有性生殖阶段，二倍体营养细胞可转化为子囊，通过减数分裂在每一子囊中形成4个单倍体子囊孢子，即所谓四分体（tetrad）。其中2个孢子具有交配型a （MATa），另外2个具有交配型α （MATα）。一对具有相反交配型的孢子可以在萌发时在子囊内交配（四分体内交配），形成二倍体细胞。子囊孢子还可以萌发形成单倍体细胞，单倍体细胞可以通过有丝分裂和出芽进行无性繁殖，从而形成MATa和MATα单倍体克隆。然而，单倍体阶段在酿酒酵母的生命周期中通常只存在短暂的时间。一个单倍体细胞可以与具有相反交配类型的另一个单倍体细胞交配形成二倍体细胞，交配的单倍体细胞或来自同一菌株的不同子囊（自交），或来自不同菌株的子囊（异交）。

单倍体细胞也可以通过一种被称为交配型转换（mating-type switch）的机制，改变其MAT基因座上的交配型。酿酒酵母的交配型转换以一种精确调控的模式发生，在任何一个细胞分裂周期中，只允许一个菌落中的一半细胞转换交配型，并在邻近产生具有相反交配型的细胞，从而促进单倍体细胞交配形成二倍体细胞。这个过程被称为单倍体自交（haplo-selfing）或自动二倍体化（autodiploidization）。

酿酒酵母不同的交配行为产生不同的遗传和进化后果。不同菌株的单倍体交配，即异交，形成杂合二倍体细胞；而单倍体自交形成除交配型基因座外的完全纯合二倍体细胞。据估计，酿酒酵母的异交率非常低，每个细胞分裂周期发生异交的几率为2×10─5至9×10─5。然而，昆虫如果蝇和黄蜂等传播媒介可能会促进异交[37-39]。已发现酿酒酵母的野生菌株绝大多数具有高度纯合的基因组，意味着在自然界中单倍体自交的频率很高。已有人提出了“基因组更新”（genome renewal）假说来解释单倍体自交的群体遗传学效应。该假说推测单倍体自交可使有害的隐性等位基因纯合化并直接暴露于纯化选择之下，从而促进有害等位基因的清除和有益等位基因的固化。

基因编列

酿酒酵母是合成生物学研究开发中最常用的真核底盘细胞，是第一个完成全基因组测序的真核微生物，其遗传操作简便，基因表达调控机理清楚且高密度发酵技术成熟，特别是近年来一系列适用于酿酒酵母途径组装工具的开发，使得酿酒酵母成为合成生物学研究的理想底盘微生物。

基因组组成

酿酒酵母的基因组测序始于20世纪80年代末期，它是人类基因组计划前期项目的一个模式体系。1992年，酿酒酵母Ⅲ号染色体脱氧核糖核酸全序列发表，这是首次完成的细胞型生物完整染色体的测序工作。1996年，酿酒酵母的全部16条染色体的测序工作完成。1998年，酿酒酵母线粒体DNA全序列也得以解析。酿酒酵母基因组测序工作由来自欧洲、美国、加拿大和日本的600多位学者协作完成，是国际科研合作的一个成功典范。

酿酒酵母全基因组（含线粒体）的大小为12.16兆核苷酸碱基对（Mbp），预测共有6445个基因，其中蛋白编码基因为6002个（见表），平均2千碱基对（kbp）长的序列含有一个开放阅读框，这一数值明显低于其他真核生物，说明该基因组结构较为紧凑。尽管如此，酿酒酵母基因组没有明显的操纵子结构。酿酒酵母的染色体均具有复制起始区、着丝粒和端粒等基本功能性结构，多数染色体由富含GC和AT的脱氧核糖核酸大片段镶嵌构成。

酿酒酵母染色体臂中部一般富含GC且基因密度较高，该区域也是遗传重组发生率相对较高的区域；着丝粒和端粒区域富含AT且重组频率相对较低。另外，4个较小的染色体（Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅸ）的重组频率高于整个基因组的重组频率。与其他染色体相比，最小的Ⅰ号染色体的结构十分独特，位于其两端约1/4的区域内基因密度非常低，该区域可能作为“填充物”来增加该染色体的大小和稳定性。酿酒酵母基因组的一个显著特点是具有高度重复序列，其中有很多重复序列彼此间有较高同源性，这种现象称为遗传冗余（geneticredundancy），包括单个基因重复、成簇同源区（clusterhomologyregion;CHR）及染色体末端重复。该菌具有近300个转运RNA（tRNA）的基因，分散在16条染色体及线粒体脱氧核糖核酸上，而核糖体RNA（rRNA）的基因则集中在XⅡ号染色体和线粒体DNA中；酿酒酵母具有大量不同类型的CHR，而且同一种CHR分布在2个以上的染色体上，CHR内的同源基因的排列顺序和转录方向相同；位于染色体末端的端粒由高度重复序列组成，是遗传冗余的主要区域。在酿酒酵母基因组中，仅有约4%的蛋白编码基因含有内含子，主要是核糖体蛋白的编码基因，而且这些基因通常只有一个小型内含子。

在酿酒酵母染色体所编码的蛋白中，约有14%和代谢与能量转换及储存相关；16%与脱氧核糖核酸复制、修复、重组、转录和翻译相关；超过400种蛋白参与胞内运输和蛋白定位；转运蛋白约有250个；已鉴定的转录因子至少有200个。酿酒酵母线粒体基因组为环形DNA，其编码的蛋白包括参与能量代谢的细胞色素c和ATP合成酶的亚基等。

基因组情况

作为模式生物，酿酒酵母全基因组的解析不仅使人们对真核生物的生命特征有了更为全面和深入的认识，也为人工合成真核生物奠定了基础。由美国科学家J.D.伯克[注]发起的Sc2.0计划（酿酒酵母基因组合成计划）是一个标志性国际合作项目，由美国、中国、英国、法国、澳大利亚和新加坡等多国研究机构分工协作进行。该项目以合成酿酒酵母全部16条染色体为目标，已取得重大进展。2014年，美国和法国学者成功合成了酿酒酵母Ⅲ号染色体（SynⅢ），这是人类首次完成的真核生物染色体的人工合成工作；2017年3月，又有5条酿酒酵母染色体（SynⅡ、SynⅤ、SynⅥ、SynⅩ和SynⅫ）的人工合成工作得以完成。SynⅡ、SynⅤ、SynⅩ和SynⅫ的合成工作以中国科学家为主完成，是中国在合成生物学乃至生命科学领域取得的突破性成果。

应用领域

概述

酿酒酵母菌含丰富的蛋白质、维生素、矿物质、多糖和许多生物活性物质，有许多完整的酶系，并含有2.5%～10%的核糖核酸（核糖 nucleic acid，RNA）。这些营养功能成分对机体的免疫、抗肿瘤、抗氧化和消化功能等有重要作用，是维持机体健康的重要成分。这些功能物质对人体、动物的作用及机制一直在不断地研究并对其开发应用。

酿酒酵母细胞壁含有丰富的β-1,3-葡聚糖和甘露寡糖（mannan oligosaccharide，MOS），其含量可达到细胞壁干质量的95%左右，两者在促进机体生长、提高免疫、增强非特异性免疫等诸多方面发挥重要的作用。β-葡聚糖是通过β-1,3/1,6糖苷的方式结合形成的一种结构多糖，位于酵母细胞壁的内层，占细胞壁干质量的30%～60%。β-葡聚糖在食品工业得到广泛应用，并具有刺激免疫、降低血胆固醇、抗肿瘤和预防炭疽热等显著医学功效；此外，β-葡聚糖在增强溶菌酶活性、补体活性和杀菌活性方面均具有显著的作用。口服β-1，3-D-葡聚糖可促进释放生物活性的细胞因子，从而产生骨髓免疫活性和增强荷瘤小鼠的抵抗力。在β-葡聚糖功能作用的基础上，对其组分性状进行改良和对其进行降解，可改善物化性质和生物活性，增强及拓深β-葡聚糖的应用范围。白楠等[7]的研究结果表明，一定浓度的羧甲基葡聚糖和磺乙基葡聚糖均比未衍生葡聚糖具有更强的免疫促进作用。采用非专一性α淀粉酶降解可得到水溶性β-1,3-寡聚糖，使其更易被生产应用。

MOS主要由酿酒酵母细胞壁中的甘露聚糖酶解而来，是由几个甘露糖分子或甘露糖与葡聚糖通过α-1,2或β-1,3和α-l,6糖苷键组成的寡聚糖，位于细胞壁的外层；在MOS研究中，华朱鸣[9]在高脂粮中添加0.5%的MOS能显著降低小鼠血浆和消化道系统组织的自由基水平，提高总抗氧化能力。一般认为MOS具有阻止肠道病原菌定植、促进生长、抗氧化、刺激免疫系统和增强非特异性免疫的功能。酿酒酵母作为EM菌的一种，对机体功能性调控的作用显著。活性多糖、核苷酸具有免疫和非特异性免疫功能，寡肽-1可促进氨基酸吸收和蛋白质利用，一般单胃动物以氨基酸形式吸收利用蛋白质，而反刍亚目以小肽形式吸收利用蛋白质。维生素在机体生长发育、代谢过程中发挥重要的调节作用，SOD具有强的抗氧化作用等。

酿酒酵母菌株功能基于酿酒酵母菌株特性，酿酒酵母活菌、非活性成分及细胞组成成分已广泛应用于饲料工业和畜牧养殖业，其功能主要体现在两大方面：（1）活菌可以作为EM菌或发酵菌剂使用；（2）酿酒酵母非活性形式和细胞组分，可以作为酵母有机微量元素、功能性蛋白原料、免疫增强剂、霉菌毒素吸附剂、抑菌促生长剂使用。酿酒酵母广泛用于生物医药、食品、轻工业和生物能源等领域，生产重组蛋白、天然活性物质、有机酸和燃料乙醇等产品。

酿酒工业

酿酒酵母是所有酒类发酵生产的主体微生物，酿酒酵母厌氧发酵生成的乙醇（酒精）是所有酒的最基本成分。面包、馒头等面食的生产也离不开酿酒酵母（面包酵母），这些面食产品的蓬松质感得益于面包酵母代谢活动产生的二氧化碳。此外，酿酒酵母菌体维生素、蛋白质含量高，可作食用、药用和饲料酵母，还可以从其中提取细胞色素C、核酸、谷胱甘肽、B族维生素、辅酶Q10₁₀和三磷酸腺苷等多种功能成分。

天然酿酒酵母菌株的应用不仅局限在发酵食品和啤酒、葡萄酒等乙醇类产品的发酵，还报道了一些新的用途和特性。例如，日本学者从冲绳县的木芙蓉中分离出的酿酒酵母新菌株具有良好的水果风味，经过诱变选育后，明显提高了菌株产生异戊醇和乙酸异戊酯的含量，即在酒精饮料的酿造过程中可以提高风味物质的产生。酿酒酵母已知不能积累油脂，但是研究发现酿酒酵母D5A工业菌株在氮限制条件下可积累油脂，转录组分析表明，该菌株胞质乙酰辅酶A和NADPH以及氮吸收与油脂积累有关。笔者课题组研究发现酿酒酵母YB-2625菌株具有比其他菌株更好的木糖利用性能，因此作为良好宿主，经过代谢工程改造后用于利用木糖生产燃料乙醇或化学品。

研究者利用合成生物学技术对酿酒酵母进行改造合成天然产物，这些天然产物往往在植物中的积累量非常少，或者合成途径复杂，不容易调控，或者受到外界条件的限制较多因此产量不稳定，因此，利用合成生物学手段构建酿酒酵母细胞工厂，有利于实现稳定可持续的生产和调控合成。例如对酵母进行菌株改造生产阿片类药物，以及合成生物学改造生产大麻素等。此外，我国学者利用酿酒酵母生产灯盏乙素，由于灯盏乙素在治疗缺血性脑血管疾病脑栓塞和脑出血等疾病中有较好的效果，该工作将为工业化生产灯盏乙素相关药物提供新的途径。在最近的研究中，我国浙江大学研究者利用酿酒酵母生产天然维生素E类化合物α-生育三烯酚获得了成功，解决了该类化合物生产困难的问题，实现了可持续生产，在利用酿酒酵母生产天然高附加值产物研究中又取得了重要的进展[。

食品工业

酿酒酵母中的相关营养功能物质作为营养或功能成分对人体健康有重要作用。β-葡聚糖作为活性多糖，可作为增稠剂、粗食纤维、脂肪替代品应用于食品改良和加工中，也可作为功能性成分应用到功能性食品开发中，INGLETT G E[40]从燕麦面粉和小麦麸中提取出一种由β-葡聚糖和淀粉糊精组成的，具有降低血清胆固醇的脂肪替代品。将一定量的β-葡聚糖添加到猪肉糜中可使其感官质量较好，多汁且富有弹性，具有良好风味。可溶性β-葡聚糖在不断研究以期更好地在食品行业广泛应用。GSH现已广泛应用于食品加工各领域，可作为风味物质、保鲜剂、抗氧化剂、营养强化剂、保健品等。谷胱甘肽可有效降低面团的强度，较大范围地控制面团的黏度，有效地缩短面制品的干燥时间。研究表明GSH可显著提高啤酒抗风味老化能力。

医学研究

（1）酿酒酵母作为模式生物在外源基因功能鉴定中的应用。酿酒酵母基因组小，生命周期短，繁殖快速，再加上实验操作上更简易，具有简便的平板影印能力，非常适合遗传学上的分析研究。同时，酿酒酵母具有稳定的单倍体和二倍体细胞，在实验条件下，酿酒酵母的二倍体和单倍体这两种状态可以相互转换。在众多的模式生物中，这是酿酒酵母较为突出的优点，这在基因功能鉴定上的应用尤为重要。目前，酿酒酵母基因转化与性状互补已经被广泛地应用到确定新外源基因的功能中。理论上，与任何一种遗传学特征相对应的不同生物的结构基因都可以通过质粒文库的互补作用，而在酿酒酵母缺失突变体中得到鉴定。研究表明，利用整合型质粒（Yip 型），可以精确地对酿酒酵母基因组中的任意基因进行置换，并可以通过孢子繁殖中的四分体分析技术，有效地进行相关基因功能的观测和研究。另外，也可以将外源基因克隆于酿酒酵母表达载体上，转化野生型或突变型酵母菌株，通过观察酵母的表型变化来推测该基因的生物学功能。例如，科学家将玉蜀黍属中可能编码脂肪酸脱氢酶的基因fad2导入野生型的酵母细胞中，利用基因表达技术，发现带有玉米基因的野生型酵母中出现了相应的不饱和脂肪酸，证明该基因具有编码脂肪酸脱氢酶的功能。

（2）酿酒酵母作为模式生物在人类基因功能研究中的应用。酿酒酵母作为单细胞真核生物，具有和动植物相似的结构特征，包括细胞核、内质网、高尔基体、线粒体、过氧化物酶体、细胞骨架等，而且其细胞和动植物细胞的生长发育所产生的细胞过程也有很高的相似性，也就是说某些较为复杂的生命活动可以在酿酒酵母中找到，例如酿酒酵母在减数分裂、细胞周期调控以及脱氧核糖核酸的修复这些方面的控制基因与人类的基因具有高度同源性。作为模式生物，酿酒酵母在人类基因功能研究上做出了很大的贡献，若一个未知功能的人类基因通过功能互补实验能够补偿酿酒酵母当中某一个已知功能的突变基因，那么，这个未知功能的人类基因与已知功能的酿酒酵母突变基因之间就具有相似的功能。例如，人类有3个基因与半乳糖血症有关，它们分别是GALT（UDP - 半乳糖基转移酶）、GALK2（半乳糖激酶）以及GALE（UDP - 半乳糖异构酶），相对应地，它们分别能补偿酿酒酵母中相应的GAL7、GAL1、GAL10这3个基因的突变。利用酿酒酵母这种模式生物与人类基因之间的功能互补实验，越来越多两者相关基因在遗传学水平上被验证。已经发现 71 对酿酒酵母与人类的互补基因，其中20个基因与基础代谢有关，16个与基因表达有关，1个与蛋白质运输有关，7个与脱氧核糖核酸的合成修复有关，7个与信号转导相关，17个与细胞周期有关。

研究发现，在人类的遗传疾病中能够检测到接近50 的蛋白质和酿酒酵母蛋白质在氨基酸序列上具有一定的相似性，研究酿酒酵母中这些基因编码的蛋白质的生理功能以及它们与其他蛋白质之间的相互作用将有助于加深对这些人类遗传疾病的了解。如心脏疾病、早期糖尿病和小肠癌等人类常见的疾病，均为多基因控制遗传性疾病，揭示涉及这些疾病的所有相关基因是一个漫长的过程，酿酒酵母基因与人类多基因遗传病相关基因之间的相似性为人类揭示发病机理及提高诊断和治疗水平提供重要的帮助。

饲料工业

酿酒酵母属于兼性厌氧菌，在进入动物胃肠道后，可以消耗胃肠道的氧气，造成厌氧环境，从而促进有益菌群的繁殖，改善动物消化道微生态平衡。体外试验研究表明，酿酒酵母还可以有效吸附肠道病原菌（鼠伤寒沙门氏菌）。布拉迪酵母是属于酵母属、酿酒酵母亚种的一种酵母，大部分酿酒酵母最适生长和代谢温度为30℃，而布拉迪酵母菌株具有天然耐热性，在37℃生长良好。目前布拉迪酵母已作为一种非毒性酵母菌，在欧洲、南美、非洲等地区广泛应用于腹泻治疗。研究表明，布拉迪酵母菌株耐酸性能良好，pH2条件下1h存活率达75%。布拉迪酵母可以分泌多胺物质（腐胺、精胺和亚精胺），促进动物肠道成熟，增强肠细胞对营养物质的吸收能力。在妊娠和泌乳日粮中添加布拉迪酵母，降低了母猪后肠微生物菌群大肠杆菌和产气荚膜杆菌总数。

酿酒酵母可以作为发酵菌剂使用，或与其他EM菌配伍，用于饲用原料的发酵处理，提升原料价值。如利用酿酒酵母固态发酵白酒糟生产蛋白饲料；利用酿酒酵母菌和植物乳杆菌混合发酵玉米加工副产物；通过酿酒酵母对玉米浆中亚硫酸盐进行无机硫的转化，降低其亚硫酸盐含量。采用酿酒酵母（4%）和米曲霉（0.5%）复合菌种发酵豆粕，发酵豆粕中的粗蛋白质和酸溶蛋白分别提高21.27%、695.97%。

酿酒酵母通过对金属元素的细胞外富集、细胞表面吸附或络合、细胞内富集和转化，可以将金属无机化合物形式转化为有机形式，已实现酵母铬、酵母硒、酵母铁、酵母锰、酵母铜的开发。作为有机微量元素，目前在畜牧养殖中应用最为广泛的是酵母硒。研究表明，与亚硒酸钠相比酵母硒能提高奶牛对养分的消化率以及受胎率，增强机体抗氧化能力，改善泌乳性能。与亚硒酸钠相比，在母猪饲料中添加酵母硒能显著提高仔猪初生窝重和个体重、断奶窝重和个体重，提高母猪乳汁、仔猪血液、肾脏、肝脏和肌肉中硒的存留量）。摄食含酵母硒的饲料，明显降低了猪肉贮藏期间的硫代巴比妥酸值（TBARS）、肌肉的滴水损失。

畜牧养殖业

酿酒酵母富含蛋白质、核酸、维生素、多糖等营养物质，且可以通过菌株筛选方式获得高营养成分的菌株，如高蛋白、高核酸酵母菌株的筛选）。将酵母细胞自溶、酶解，可以获得酵母水解物。大量研究表明，酵母水解物作为一种功能性蛋白原料在饲料中使用，在诱食、促生长效果方面作用明显，具有替代血浆蛋白粉、鱼粉的潜力。

酿酒酵母的细胞壁呈三明治结构，内层为β-1，3/1，6-葡聚糖，形成细胞壁的刚性结构，中间层为蛋白质，与甘露聚糖共价结合形成配位化合物，外层为磷酸甘露聚糖，决定了酵母细胞壁的多孔性。酿酒酵母β-葡聚糖可以活化巨噬细胞、嗜中性粒细胞、自然杀伤细胞以及B、T淋巴细胞，增加细胞因子数量从而发挥免疫调节功能。酿酒酵母甘露聚糖具有一定的免疫原性，能够刺激机体产生免疫应答。另一方面，酵母细胞壁的特殊空间结构可以通过氢键、离子键和疏水作用力等对霉菌毒素（如黄曲霉毒素和玉米赤霉烯酮）有效进行吸附。酵母细胞壁广泛应用于饲用霉菌毒素吸附剂产品开发。其他研究也表明，通过酿酒酵母菌株筛选、制备及提取工艺的优化，可以获得酵母葡聚糖及其衍生物，对金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、大肠杆菌等均有抑制作用。

其他方面

酿酒酵母相关的营养功能成分在化妆美容、植物生长等方面也有应用。酿酒酵母可显著提高黄瓜的生长。β-葡聚糖在化妆品中可具有抗衰老、祛皱、修复疤痕、抗敏消炎等多种功效；GSH也因其强的抗氧化作用广泛应用于化妆美容行业。

相关研究

酿酒酵母转录因子Spt15碱基编辑扫描突变工程

酿酒酵母作为重要工业菌种，广泛应用于传统酿造和现代发酵，用来生产生物燃料、化学品和其他生物产品。但在实际工业发酵生产中会受到高渗、高温和乙醇等胁迫的影响。因此，提高酿酒酵母的胁迫耐受性受到广泛关注。近年来，基于CRISPR/Cas的基因组编辑技术为拓展酿酒酵母遗传改造和性能提升提供了有力工具，包括基因敲除或整合、转录激活或失活。然而，这些工具大多用于产生插入和删除，而不是核苷酸替换，并且通常需要外部供体脱氧核糖核酸。在高等生物中建立的胞嘧啶/腺嘌呤碱基编辑器能够在基因组上引入原位突变，为蛋白质工程和细胞性能改造提供了新的定向进化策略。

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员带领的进化与代谢工程研究团队利用碱基编辑技术来定点扫描突变改造全局转录因子Spt15，提高酿酒酵母的胁迫耐受性，并解析了Spt15点突变影响胁迫耐受性的机理。研究团队在酿酒酵母中采用Targeted-AID胞嘧啶碱基编辑器，靶向全局转录调控基因 SPT15进行原位扫描核苷酸突变，从而在细胞中引入蛋白质点突变，共获得36个胁迫耐受性存在差异的Spt15点突变菌株。其中，有18个突变株可以同时耐受高渗、高温和乙醇胁迫，其发酵能力提高了1.5倍以上，这些胁迫耐受的点突变主要位于Spt15蛋白的N端和马鞍形三级结构的凸面。对胁迫耐受性最高的3个点突变（A140G、P169A和R238K）和胁迫最敏感的2个点突变（S118L和L214V）进行比较转录组分析，揭示了这些点突变菌株在应对胁迫时所共同的和特有的全局转录重编程以及转录调控中心。根据蛋白质结构比对分析，这5种氨基酸的变化对核糖核酸聚合酶II转录机器中Spt15与脱氧核糖核酸以及其他蛋白质的相互作用产生了不同影响。结果表明，Target-AID碱基编辑器为酿酒酵母靶向原位扫描突变提供了有力工具，同时为酵母胁迫耐受性改进提供了更多潜在的Spt15靶点。

该研究获得国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动、中科院科研仪器设备研制项目以及天津市工业合成生物创新团队的支持，相关研究成果发表在生物技术 for Biofuels上。

2022年7月消息华南理工大学生物科学与工程学院的李爽教授团队在《Green Chemistry》杂志发表题为“Efficient utilization of carbon to produce aromatic valencene in Saccharomyces cerevisiae using 甘露醇 as substrate”的研究论文。该论文首次报道了以酿酒酵母为底盘细胞，非发酵碳源甘露醇为唯一碳源，构建高附加值倍半萜类香料——瓦伦西亚烯的高效细胞工厂，证明了海藻源碳源在酿酒酵母高产萜类化合物中的潜力。

该研究从理论代谢网络基元计算出发，模拟出甘露醇高效生产瓦伦西亚烯的代谢灵活性，理论上证明了该路线的可行性。实验研究进一步表明，相比葡萄糖碳源，以甘露醇为唯一发酵碳源，瓦伦西亚烯的产量和C/C转化率分别提高3和5倍。基因组和转录水平分析揭示，甘露醇碳源为瓦伦西亚烯合成相关基因的转录表达提供了更有利保障。通过合成生物学代谢调控手段，进一步优化前体供应、底物摄取速率及辅因子再生等，在3L发酵罐实现瓦伦西亚烯产量5.6 g/L。

相比目前瓦伦西亚烯以西柚皮为原料提取的低得率，该研究获得的酿酒酵母细胞工厂产量达到g/L范围，将具有绝对的价格优势，且不受农业耕地、季节等条件限制。该研究也为其他萜类化合物的高效微生物制造开辟了一条新的道路。

合成酵母

2011年，美国、中国、英国、新加坡、澳大利亚等国启动“人工合成酵母基因组计划（Sc2.0 Project）”，旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体，这是人类首次尝试对真核生物的基因组进行从头设计合成。

2023年11月8日，Sc2.0项目最新研究成果在Cell及其子刊发布，其中，Cell Genomics以封面和专辑形式发表了多篇研究成果。此次成果发布标志着世界首个真核生物全部染色体的从头设计与合成正式完成，合成生物学领域的科学里程碑项目取得重大进展，为未来合成基因组学的研究奠定了重要参考。华大作为中国主要参与单位之一，在整体项目中联合合作单位承担了酵母2号、7号、13号染色体的从头设计与全合成（300万碱基），约占项目总合成量的四分之一。

改造酿酒酵母，合成玫瑰精油

2021年8月，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张学礼带领微生物代谢工程研究团队，首先将酿酒酵母进行了系统改造，并在此基础上通过玫瑰精油途径的引入和优化，最终获得的“玫瑰酵母”菌株，能使5升发酵罐中玫瑰精油产量达5克/升。相关研究成果发表在国际期刊《绿色化学》上，并申请了4项专利。

用合成生物学技术创建“人工细胞工厂”进行玫瑰精油等PVT类化合物的发酵生产，是颇具潜力的方式。张学礼团队在酿酒酵母中筛选到代谢截流效果显著优于经典动态调控启动子ERG1的功能元件——ERG7启动子。通过ERG7启动子的应用，以及玫瑰醇生物合成模块的表达和优化，最终获得让玫瑰醇产量达6克/升的工程菌。

在此基础上，研究人员又将牻牛儿醇—玫瑰醇合成模块、橙花醇合成模块整合到同一底盘菌株中，创建了国际上首个同时生产天然玫瑰精油3种主要单萜组分的“玫瑰酵母”菌株。在摇瓶发酵中，该菌株单萜总产量达120毫克/升，而且与天然突厥蔷薇芳香油中3种组分的比例接近。“玫瑰酵母”菌株在5升发酵罐中混合精油产量可达5克/升，预计综合成本将节约90%。

科研团队还将研发策略进行拓展，开发了高产单萜和倍半萜的平台酵母，使目标产物产量得到大幅提升。该研究为实现玫瑰精油等植物挥发性萜类的高效异源生物合成奠定了基础。

酿酒酵母类胡萝卜素新工程改造靶点

2021年7月，广东省科学院微生物研究所研究员朱红惠团队研究揭示酿酒酵母类胡萝卜素合成中的适应性进化策略和最新代谢工程改造靶点。相关研究发表于《生物资源与生物加工》。

类胡萝卜素是一大类自然界天然存在的有色物质，广泛分布于植物、藻类、真菌和细菌中。目前，大部分研究集中在对已有文献报道进行不断优化，提出新改造靶点的并不多见。

研究人员基于已知酿酒酵母乙醇耐受性机理（与细胞膜有关）及类胡萝卜素储存于细胞膜的特性，推测在提高酿酒酵母乙醇耐受性过程中，细胞膜可能会产生变化，当细胞膜的改变与类胡萝卜素储存达到一个契合点时，就会促进类胡萝卜素的合成。因此，他们在酿酒酵母细胞内构建了一套乙醇胁迫介导的实验室适应性进化方法，并成功应用于类胡萝卜素的生物合成，获得了一株含量提高5.1倍的突变株M3。

“借助基因组和转录组学，我们成功鉴定出PFK1失活突变是变异菌株类胡萝卜素合成能力提高的主要原因。”朱红惠对《中国科学报》表示，该研究为筛选有益突变并揭示变异的分子机制提供了一个典型案例。

单染色体酵母的“诞生”

2018年8月2日在国际知名学术期刊《自然》在线发表。这一成果在中科院B类先导专项“细胞命运可塑性的分子机制与调控”以及国家中华人民共和国国家自然科学基金委员会和科技部等项目支持下，完全由中国科学家独立完成，是合成生物学具有里程碑意义的重大突破。

2010年，美国科学家J. Craig Venter和他的科研团队在《科学》杂志报道了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体，引起了轰动。此次，以覃重军研究组为主的研究团队完成了将单细胞真核生物？酿酒酵母天然的十六条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。该项工作表明，天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约，自然生命的界限可以被人为打破，甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

生物学教科书中将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息，真核生物通常含有线型结构的多条染色体，而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。覃重军研究员大胆地假设真核生物也能像原核生物一样，用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能。在“大胆猜想”之后，他与薛小莉副研究员“工程化精准设计”了定制人造单染色体酵母的指导原则以及理性分析、实验设计、工程化推进的总体方案。博士生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法。历经4年时间，通过15轮的染色体融合，最终成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14。此后，覃重军研究组进一步与合成生物学重点实验室赵国屏院士研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院赵志虎研究员等团队合作，深入鉴定SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构；发现虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化，但SY14酵母具有正常的细胞功能，因此颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念，揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。

该研究成果是通过经典分子生物学“假设驱动”与合成生物学“工程化研究模式”来探索解析生命起源与进化中重大基础科学问题的一个新范例。将天然复杂的酵母染色体通过人工改造以全新的简约化形式表现出来，是继原核生物细菌“人造生命”之后的一个重大突破。单染色体酵母的“诞生”，连同我国科学家参与的酵母染色体全人工合成工作，是继上世纪六十年代人工合成结晶牛胰岛素和转运RNA之后，中国学者再一次利用合成科学策略，去回答生命科学领域一个重大的基础问题，即建立原核生物与真核生物之间基因组进化的桥梁。这是合成生物学“建物致知”理念的生动体现，为人类对生命本质的研究，开辟了新方向。

酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型，1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。端粒是线型染色体末端的保护结构。随着细胞分裂次数的增加，端粒的长度逐渐缩短，当端粒变得不能再短时，细胞就会死亡。人类的早老症与染色体的端粒长度直接相关。此外，端粒的缩短还与许多疾病相关，包括突变，肿瘤形成等。与天然酵母的32个端粒相比，覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒，为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型。

参考资料 >

酿酒酵母.中国大百科全书.2025-10-13

走出中国：酿酒酵母的起源、驯养与演化.微生物学报.2025-10-13

物种详细信息.sp2000.2025-10-15

酿酒酵母基因组.中国大百科全书.2025-10-13

酵母生物多样性开发及工业应用.生物工程学报.2025-10-13

酿酒酵母碱基编辑扫描突变及胁迫耐受性改造研究获进展.酿酒酵母碱基编辑扫描突变及胁迫耐受性改造研究获进展.2022-02-26

我国科学家开发非发酵碳源用于高值香料瓦伦西亚烯的生物合成.中华人民共和国科学技术部.2022-07-06

华大参与里程碑项目重大进展！Cell及子刊发布“人工合成酵母基因组计划”最新成果.华大参与里程碑项目重大进展！Cell及子刊发布“人工合成酵母基因组计划”最新成果.2025-10-13

改造酿酒酵母，合成玫瑰精油.改造酿酒酵母，合成玫瑰精油.2022-02-26

揭示酿酒酵母类胡萝卜素新工程改造靶点.今日头条.2025-10-13

国际首例人造单染色体真核细胞创建成功.国际首例人造单染色体真核细胞创建成功.2025-10-13