Lager啤酒酵母起源的歷史足跡及基因組學(xué)研究

尹花，賀揚(yáng)，侯曉平，陳璐，董建軍

(啤酒生物發(fā)酵工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(青島啤酒股份有限公司)，山東 青島，266100)

1 悠久的啤酒釀造歷史

啤酒是世界上歷史最悠久、飲用范圍最廣的酒精飲料之一，是典型的農(nóng)業(yè)社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物。啤酒釀造的發(fā)展歷史與人類(lèi)社會(huì)和文化的發(fā)展息息相關(guān)，并且受到人類(lèi)遷徙的影響。據(jù)考古學(xué)家推測(cè)，蘇美爾人和巴比倫人早在公元前6 000年開(kāi)始種植大麥后不久，便開(kāi)始了原始的啤酒釀造，用于祭祀女神。而公元前3 000年逐步擴(kuò)展到古波斯、古巴比倫和古埃及等地。在這些社會(huì)中，啤酒既是宗教儀式中的重要元素，也是人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ蔑嬃虾退幬?。而后啤酒傳入歐州北部國(guó)家，并在每個(gè)國(guó)家產(chǎn)生了自己特色的品種[2]。斯坦福大學(xué)在2016年《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)的考古研究報(bào)道顯示，在一個(gè)出土于西安米家崖遺址，5 000年前的陶器中發(fā)現(xiàn)了用于釀造啤酒的大麥、黍米等作物的殘留物[3]，表明中國(guó)人釀造啤酒的歷史同樣非常悠久。原始啤酒逐步發(fā)展，后來(lái)在世界各地釀制出各種各樣的啤酒，所采用的原料有所不同，口味也各異。

現(xiàn)代的啤酒釀造技術(shù)源于中世紀(jì)歐洲的釀造工藝。北歐和英國(guó)的溫帶海洋性氣候?yàn)榉N植小麥、燕麥和大麥等谷物提供了理想的條件[4]。谷物中的淀粉在發(fā)芽和糖化的過(guò)程中能夠轉(zhuǎn)變成可發(fā)酵性糖(如麥芽糖)，隨后通過(guò)野生酵母的自然發(fā)酵生成酒精。但在當(dāng)時(shí)人們對(duì)于負(fù)責(zé)發(fā)酵的物質(zhì)本質(zhì)仍然難以理解，將其命名為“yeast”。該詞來(lái)源于德語(yǔ)的“Gischt”或荷蘭語(yǔ)的“Gist”，指的是發(fā)酵結(jié)束時(shí)容器頂部的泡沫或絮狀物質(zhì)。釀酒師在每一次發(fā)酵結(jié)束后將這些“泡沫”刮下，并接種到下一批啤酒的發(fā)酵液中。這種在發(fā)酵結(jié)束后會(huì)浮于發(fā)酵罐表面的酵母被稱(chēng)為“上面發(fā)酵子(top fermenters)”,這實(shí)際上就是Ale啤酒(上面發(fā)酵啤酒)的釀造[5]。Ale啤酒興起較早，也被認(rèn)為和人類(lèi)早期生產(chǎn)的啤酒比較接近。由于其發(fā)酵溫度較高，導(dǎo)致產(chǎn)品均一性不好且不易儲(chǔ)存，所以啤酒的穩(wěn)定性和純凈度成了中世紀(jì)啤酒釀造的主要問(wèn)題。

隨著啤酒釀造工業(yè)的興起，為控制啤酒的純凈度和價(jià)格頒布了一系列的法律法規(guī)。1516年在巴伐利亞頒布了《純釀法》(Reinheitsgebot)，規(guī)定了啤酒只能在較為寒冷的時(shí)間進(jìn)行釀造(從9月29日的圣米迦勒日到4月23日的圣喬治日之間)，且釀造原料只能包括大麥、酒花、水。而法規(guī)中并未提及酵母，因?yàn)楫?dāng)時(shí)酵母被認(rèn)為是發(fā)酵過(guò)程的一個(gè)副產(chǎn)物而已。而在溫度較高的季節(jié)，則將啤酒存放在塞滿(mǎn)了冰塊的山洞中，這一過(guò)程則被稱(chēng)為“Lagering”[6]，經(jīng)歷了這一儲(chǔ)存過(guò)程的啤酒則更加穩(wěn)定。漸漸的人們發(fā)現(xiàn)，用這種方式釀造啤酒，在發(fā)酵結(jié)束后酵母并不會(huì)浮在表面，而是沉到發(fā)酵罐的底部，因此這些酵母被稱(chēng)為“下面發(fā)酵子(bottom fermenters)”。從高溫發(fā)酵轉(zhuǎn)向低溫發(fā)酵，并結(jié)合低溫儲(chǔ)存過(guò)程，這就是我們今天所熟知的“下面發(fā)酵”及Lager啤酒的釀造工藝。

因此，依據(jù)發(fā)酵工藝和酵母菌種的差異，現(xiàn)代啤酒主要分為兩大類(lèi)：Ale啤酒(上面發(fā)酵啤酒)和Lager啤酒(下面發(fā)酵啤酒)。Ale啤酒發(fā)酵溫度較高，口感濃厚，香氣豐富，但發(fā)酵過(guò)程不易控制，產(chǎn)品均一性不好且不易儲(chǔ)存，因此在現(xiàn)代的工業(yè)啤酒生產(chǎn)中占比不大。與Ale啤酒相比，Lager啤酒發(fā)酵溫度低，發(fā)酵周期長(zhǎng)，口味更加淡爽純凈，其發(fā)酵過(guò)程容易控制，產(chǎn)品均一性好，生產(chǎn)效率高，更適合標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)生產(chǎn)。19世紀(jì)中葉，Lager啤酒逐步替代Ale啤酒成為現(xiàn)代工業(yè)啤酒的主流，也是全球生產(chǎn)和消量最大的啤酒品類(lèi)?，F(xiàn)代Lager啤酒在19世紀(jì)末引入中國(guó)，雖然初期發(fā)展緩慢，但后期迅速增長(zhǎng)，并于2002年超越了美國(guó)，連續(xù)16年成為全球第一大啤酒生產(chǎn)國(guó)。根據(jù)啤酒的種類(lèi)不同，發(fā)酵啤酒使用的酵母種類(lèi)也不同。生產(chǎn)Ale啤酒的酵母即是生物學(xué)上重要模式生物——釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae，上面發(fā)酵酵母，Ale酵母)。而Lager啤酒主要由一種雜交酵母(S.pastorianus、S.carlsbergensis、S.monacensis)，統(tǒng)一稱(chēng)為巴氏酵母(S.pastorianus，下面發(fā)酵酵母， Lager酵母)發(fā)酵而成[7]。

2 Lager酵母起源及遺傳學(xué)背景

Lager酵母是自然界雜交所產(chǎn)生的異源多倍體菌株。在大規(guī)模進(jìn)行釀酒酵母全基因組測(cè)序之前，就已通過(guò)單基因序列和微衛(wèi)星序列的對(duì)比分析證實(shí)了S.cerevisiae是Lager酵母其中的一個(gè)親本來(lái)源[8-9]。

近年來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和測(cè)序成本的降低，共有超過(guò)1 000株S.cerevisiae的全基因組序列陸續(xù)完成測(cè)序[10]。通過(guò)對(duì)工業(yè)釀酒酵母菌株(S.cerevisiae)基因組水平的研究，揭示了酵母菌是如何在人類(lèi)的長(zhǎng)期釀造過(guò)程中被“馴化”，以及啤酒美味背后的生物學(xué)基礎(chǔ)。來(lái)自比利時(shí)魯汶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)搜集了不同來(lái)源及工業(yè)用途多樣的157株工業(yè)釀酒酵母菌株，并完成了不同菌株的全基因組測(cè)序。通過(guò)比較工業(yè)釀酒酵母基因組及已發(fā)表的釀酒酵母基因組(包括葡萄酒酵母和面包酵母等)，進(jìn)一步構(gòu)建了157株工業(yè)釀酒酵母的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)(圖1)[11]。顯然，S.cerevisiae可以按照其工業(yè)用途(葡萄酒、蘋(píng)果酒、面包、啤酒、清酒、蒸餾酒、臨床、實(shí)驗(yàn)室)及地理來(lái)源(亞洲、北美、非洲、歐洲等)被區(qū)分開(kāi)。釀造來(lái)源的S.cerevisiae形成一個(gè)獨(dú)特的群，其中大部分的啤酒酵母(85.3%)聚集在兩個(gè)子群(Beer 1和Beer 2)，但這兩個(gè)子群的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。Beer 1由來(lái)自不列顛群島(英國(guó)和愛(ài)爾蘭)、美國(guó)、德國(guó)和比利時(shí)的S.cerevisiae菌株組成，其中美國(guó)來(lái)源的菌株與英國(guó)菌株在系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)上關(guān)系較近，表明早期是由英國(guó)定居者把釀酒酵母引入了美國(guó)。而B(niǎo)eer 2則與葡萄酒酵母的親緣關(guān)系更加密切[11]。

圖1 工業(yè)釀酒酵母菌株的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)Fig.1 Phylogeny structure of industrial S. cerevisiae strains

比較這兩類(lèi)酵母的分支可以明顯看出，啤酒用釀酒酵母，無(wú)論是Beer 1還是Beer 2，都有較長(zhǎng)的“樹(shù)杈”，而葡萄酒用酵母的“樹(shù)杈”則偏短[11]。這表明與葡萄酒酵母相比，啤酒酵母在工業(yè)化過(guò)程中經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的馴化，與它們的祖先已經(jīng)相去甚遠(yuǎn)。主要表現(xiàn)在工業(yè)啤酒酵母的異味生成量降低(4-乙烯基-愈創(chuàng)木酚，4-VG)、麥芽三糖的利用率增加，且在自然條件下的存活率降低。另外，啤酒酵母在長(zhǎng)期的工業(yè)馴化下幾乎都已失去交配能力，而葡萄酒酵母則仍保存了有性生殖的形式[11]。這與兩種酒的釀造模式是分不開(kāi)的。啤酒的釀造條件受季節(jié)限制較少，一年四季都可以釀造。人們常常會(huì)用上一批啤酒使用過(guò)的酵母去釀造下一批啤酒，這無(wú)形中就完成了對(duì)啤酒酵母的人工馴化。并提出了啤酒酵母的馴化假說(shuō)：啤酒酵母經(jīng)歷了兩次單獨(dú)的馴化過(guò)程，第一次馴化發(fā)生在公元1573-1604年間；第二次馴化事件發(fā)生在公元1645年至1671年之間[11]，這期間正是啤酒釀造從家庭手工業(yè)轉(zhuǎn)型成工業(yè)化釀造的過(guò)程。相比之下，葡萄酒則只能在特定的季節(jié)生產(chǎn)。在生產(chǎn)季節(jié)外的時(shí)間里，尚未掌握微生物學(xué)原理和操作技術(shù)的中世紀(jì)釀造人員只能將酵母留在地窖中，而它們此時(shí)則有機(jī)會(huì)和野生酵母交配，因此展示出的馴化痕跡也較少。

在另一項(xiàng)系統(tǒng)發(fā)生研究中，GON?ALVESET等將啤酒S.cerevisiae酵母分為3個(gè)進(jìn)化支：小麥啤酒酵母、英國(guó)愛(ài)爾蘭啤酒酵母和德國(guó)Alt-Kolsch啤酒酵母[12]。將Lager酵母S.cerevisiae的亞基因組(Sc-亞基因組)與面包酵母、啤酒酵母、葡萄酒酵母及野外來(lái)源的90種S.cerevisiae酵母菌株進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)分析后，Lager酵母Sc-亞基因組與啤酒S.cerevisiae的親緣關(guān)系更加密切[12]。這些結(jié)果都證實(shí)了Lager酵母中S.cerevisiae的親本來(lái)源是Ale酵母。

然而，賦予Lager酵母能夠在低溫進(jìn)行發(fā)酵的非釀酒酵母來(lái)源基因序列卻一直存在爭(zhēng)論。嘉士伯實(shí)驗(yàn)室的Morten Kielland-Brand利用單染色體轉(zhuǎn)移的技術(shù)將Lager酵母的III號(hào)染色體轉(zhuǎn)移至S.cerevisiae中，發(fā)現(xiàn)染色體上很大一部分無(wú)法與釀酒酵母染色體發(fā)生同源重組[13]。這暗示了Lager酵母不是一個(gè)簡(jiǎn)單的釀酒酵母多倍體，而存在除S.cerevisiae外的其他基因來(lái)源。直至20世紀(jì)末， TAMAI等通過(guò)Southern blot雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)了S.pastorianus有兩組不同的染色體，一組跟S.cerevisiae類(lèi)似，另外一組則與貝氏酵母(S.bayanus)類(lèi)似[14]。因此長(zhǎng)久以來(lái)，Lager酵母被認(rèn)為是S.bayanus與S.cerevisiae雜交的產(chǎn)物[9，15-16]。然而日本三得利的研究學(xué)者們?cè)?009年完成的首株Lager酵母全基因組測(cè)序結(jié)果表明，非S.cerevisiae來(lái)源的序列與S.bayanus的同源性?xún)H為92.7%[17]，說(shuō)明Lager酵母可能還存在除真貝氏酵母外的其他親本來(lái)源。此外，研究發(fā)現(xiàn)S.bayanus是一個(gè)復(fù)雜的物種，存在純合體和雜交體兩種形式及至少兩種基因型：S.bayanusvar. bayanus和S.bayanusvar. uvarum或S.uvarum[18]。直至2011年首次于南美洲獲得了真貝氏酵母(S.eubayanus)后發(fā)現(xiàn)，Lager酵母中非S.cerevisiae來(lái)源的序列與S.eubayanus的序列相似性達(dá)到99.5%[19]。最終明確了工業(yè)Lager酵母的親本來(lái)源，是由S.cerevisiae與S.eubayanus通過(guò)自然雜交獲得。

真貝氏酵母(S.eubayanus)是一種耐寒的野生酵母，主要分布在南美巴塔哥尼亞地區(qū)的假山毛櫸樹(shù)和智利南洋杉、亞洲地區(qū)的櫟樹(shù)以及北美地區(qū)的雪松、紅橡樹(shù)等地，而作為L(zhǎng)ager酵母起源地的歐洲則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)野生的S.eubayanus[20-22]。S.eubayanus最早(2011年)在南美地區(qū)發(fā)現(xiàn)，因此提出S.eubayanus是通過(guò)歐洲殖民者在新大陸建立的貿(mào)易路線(xiàn)傳入歐洲的假說(shuō)[23]。近年來(lái)又在中國(guó)、北美和新西蘭均分離到野生的S.eubayanus菌株[20-24]，因此作為L(zhǎng)ager酵母親本之一的S.eubayanus起源地則變得更加復(fù)雜。

2014年在中國(guó)西藏野生酵母種群及其豐富，涵蓋了發(fā)現(xiàn)的所有種類(lèi)，多樣性遠(yuǎn)高于美歐。中國(guó)西藏地區(qū)發(fā)現(xiàn)的S.eubayanus與Lager酵母中非S.cerevisiae來(lái)源基因組的序列同源性高達(dá)99.8%[23]，比來(lái)自南美巴塔哥尼亞的S.eubayanus菌株相似性更高。這一結(jié)果暗示了來(lái)源于西藏的S.eubayanus菌株是Lager酵母中非Ale酵母來(lái)源的亞基因組的貢獻(xiàn)者。由于Lager發(fā)酵起源于1 400年的巴伐利亞，而跨大西洋貿(mào)易始于1 500年哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸后，因此S.eubayanus從南美通過(guò)貿(mào)易途徑進(jìn)入歐洲的假說(shuō)難以成立。而亞歐位于同一大陸，地理位置接近，商貿(mào)交往歷史悠久。中國(guó)古代與歐洲通過(guò)絲綢之路的聯(lián)系一直存在，野生酵母可以通過(guò)人員或貨物的交流而散播。因此來(lái)源于西藏的S.eubayanus被認(rèn)為是Lager啤酒酵母非Ale基因組真正的野生親本。通過(guò)絲綢之路傳播到歐洲，在Lager啤酒低溫釀造時(shí)與S.cerevisiae進(jìn)行雜交，賦予Lager酵母耐寒的特性。

3 Lager酵母分型

19世紀(jì)的PASTEUR和HANSEN提倡運(yùn)用純種發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)Lager啤酒，以避免啤酒的腐敗和異味。1909年，LINDNER首次分離了2株不同的Lager酵母菌株，分別以它們的起源地波西米亞(今捷克)Saaz跟德國(guó)Frohberg命名，稱(chēng)為Group Ⅰ型(Saaz型)與Group Ⅱ型(Frohberg型)[25]。后來(lái)，兩種類(lèi)型的菌株陸續(xù)傳到歐洲，并最終在世界各地進(jìn)行使用[26]。Saaz型酵母現(xiàn)主要在捷克地區(qū)(如皮爾森啤酒廠)、丹麥的嘉士伯啤酒廠廣泛使用；而Frohberg型酵母則在德國(guó)(如Weihenstephan啤酒廠)、丹麥的其他非嘉士伯啤酒廠、荷蘭地區(qū)(如喜力啤酒廠，Oranjeboom啤酒廠)等地進(jìn)行使用[8]。

這兩種菌株在發(fā)酵性能上存在顯著差異：Group Ⅰ型比Group Ⅱ型更加適合低溫發(fā)酵，Group Ⅱ型在較高的溫度下發(fā)酵更快。兩種酵母在發(fā)酵末期的存活率相當(dāng)，但Group Ⅱ型菌株產(chǎn)生呼吸缺陷型菌株(嬌小突變)的幾率更高。芬蘭VTT技術(shù)中心通過(guò)對(duì)比在小試發(fā)酵條件下溫度等對(duì)兩種類(lèi)型酵母發(fā)酵性能的影響，發(fā)現(xiàn)Group Ⅰ(Saaz)型酵母菌株對(duì)麥芽三糖的利用能力弱于Group Ⅱ(Frohberg)型，且Group Ⅰ型的酯類(lèi)生成量較Group Ⅱ低[26]。

在2008年，DUNN和SHERLOCK等利用競(jìng)爭(zhēng)性基因組雜交技術(shù)(CGH)分析了Lager酵母中S.cerevisiae來(lái)源、S.bayanus(現(xiàn)定義為S.eubayanus)來(lái)源基因的拷貝數(shù)及同源染色體的重組位點(diǎn)，結(jié)果也從基因組層面驗(yàn)證了Lager酵母的這兩個(gè)分類(lèi)(圖2)[8]。這兩種類(lèi)型的Lager酵母在基因組層面上的主要區(qū)別是Group Ⅰ(Saaz型)型相對(duì)于Group Ⅱ(Frohberg型)型整體上缺失了很大一部分S.cerevisiae來(lái)源的基因組。大體上，Group Ⅰ型為三倍體，包含單倍體的Sc-亞基因組和雙倍體的S.eubayanus亞基因組(Seb-亞基因組)；而Group Ⅱ型為四倍體，包含雙倍體的Sc-亞基因組和雙倍體的Seb-亞基因組[27]。這種基因組水平差異的進(jìn)化原理目前尚不明確，推測(cè)其原因可能是在低溫發(fā)酵下的人為選擇。

圖2 不同類(lèi)型啤酒酵母(Group Ⅰ和Group Ⅱ)的染色體結(jié)構(gòu)和拷貝數(shù)[27]Fig.2 Map of the chromosome structures and copy numbersof different types of Lager yeast (Group Ⅰ and Group Ⅱ)

人們對(duì)不同類(lèi)型Lager酵母明確的祖先和進(jìn)化過(guò)程仍然有爭(zhēng)議。目前主要存在3種假說(shuō)，不同假說(shuō)都擁有基因組學(xué)分析結(jié)果的支持[28]。第一種假說(shuō)提出，Saaz型和Frohberg型的產(chǎn)生是起源于兩個(gè)完全獨(dú)立的雜交事件，所涉及的Ale酵母和野生S.eubayanus菌株親本基因組均存在差異(圖3-a)，包括：轉(zhuǎn)座子的分布、染色體缺失模式、染色體重排等[14, 18, 29-31]。第二種假說(shuō)提出，Saaz型和Frohberg型由S.cerevisiae和S.eubayanus一次雜交后分別演化而來(lái)。這種假說(shuō)的依據(jù)是在這兩種不同類(lèi)型的Lager酵母中發(fā)現(xiàn)了保守的染色體易位[32](圖3-b)。也就是說(shuō)在Saaz型和Frohberg型獨(dú)自進(jìn)化之前，在共同的親本染色體中發(fā)生易位，并通過(guò)雜交保留在不同類(lèi)型的酵母中。在后期的進(jìn)化過(guò)程中，F(xiàn)rohberg型酵母中Sc-亞基因組中經(jīng)由雜合性丟失而降低了同源染色體之間的差異，而Saaz型則丟失了一條S.cerevisiae來(lái)源的染色體。第三種假說(shuō)是結(jié)合以上兩種假說(shuō)所提出，認(rèn)為Saaz型和Frohberg型起源于單倍體S.cerevisiae和二倍體S.eubayanus之間至少一個(gè)共有的雜交事件。首先單倍體S.cerevisiae和二倍體S.eubayanus之間的單一雜交事件產(chǎn)生三倍體，進(jìn)一步分化為Saaz型；而Frohberg型是由三倍體進(jìn)一步與單倍體S.cerevisiae發(fā)生二次雜交所產(chǎn)生的[33](圖3-c)。

圖3 Saaz型和Frohberg型起源的現(xiàn)有模型[28]Fig.3 Current models for the origin of Frohberg andSaaz lineages

4 Lager酵母的基因組結(jié)構(gòu)

第一個(gè)完成全基因組測(cè)序的Lager酵母Weihenstephan 34/70 (WS 34/70)，是Lager啤酒釀造中被廣泛使用的Frohberg型菌株，由日本三得利在2009年完成[17]。其多倍體基因組大小為25 Mb，包含36條染色體，分別由釀酒酵母(S.cerevisiae)和貝氏酵母(S.bayanus)兩個(gè)亞基因組構(gòu)成，而后來(lái)貝氏酵母的亞基因組被確認(rèn)是來(lái)自真貝氏酵母(S.eubayanus)[19]。從DNA含量的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，該Lager酵母基因組為四倍體，但實(shí)際的染色體數(shù)量卻較低，這也意味著在其染色體上存在基因的多拷貝現(xiàn)象[17]。其中，Sc-亞基因組與S.cerevisiae模式菌株S-288C的序列同源性高達(dá)99.2%，而S.bayanus來(lái)源的基因序列與當(dāng)時(shí)唯一完成測(cè)序的S.bayanus菌株CBS 7001的序列相似性?xún)H有92.7%。進(jìn)一步通過(guò)分析基因組序列證實(shí)了Lager酵母中包含3種類(lèi)型的染色體：類(lèi)S.cerevisiae染色體、類(lèi)S.bayanus染色體和雜合型染色體(來(lái)自于前兩種的同源重組)[17]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)WS 34/70的線(xiàn)粒體基因組與S.bayanus菌株CBS 7001同源性很高，表明Lager酵母的線(xiàn)粒體DNA(mt DNA)應(yīng)該是來(lái)源于非S.cerevisiae[17]。

在獲得了WS 34/70的基因組序列后，近年來(lái)又有多株Lager酵母菌株陸續(xù)完成了全基因組測(cè)序，重點(diǎn)在于對(duì)不同菌株進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，并為進(jìn)一步探索不同類(lèi)型Lager酵母起源提供了基因組學(xué)基礎(chǔ)[31-37]。Lager酵母基因組學(xué)的研究能夠從生物進(jìn)化的角度來(lái)闡明雜交菌株是如何通過(guò)基因的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。通過(guò)比較3株Lager酵母的染色體斷點(diǎn)位置及序列發(fā)現(xiàn)，不同親本來(lái)源的序列大多是在基因編碼區(qū)發(fā)生染色體重組，而不是在基因組的重復(fù)元件(Repetitive elements)上。重組所產(chǎn)生的大量嵌合基因會(huì)減弱系統(tǒng)發(fā)生的信號(hào)，這才導(dǎo)致了在Lager酵母起源的研究上存在大量爭(zhēng)議[35]。通過(guò)對(duì)Lager酵母染色體拷貝數(shù)的變化研究表明，Group Ⅰ型菌株的染色體組型較為一致，而Group Ⅱ型菌株之間則表現(xiàn)出較大的差異。此外，基因組序列基本一致的Lager酵母菌株在染色體拷貝數(shù)上也存在明顯的變化[36]。

BAKER等指出，不同類(lèi)型Lager酵母中Sc-亞基因組在與Seb-亞基因組發(fā)生雜交之前就已產(chǎn)生差異，在兩個(gè)親本的亞基因組中中性差異位點(diǎn)的數(shù)量存在差異。因此支持在Lager酵母進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生兩次獨(dú)立的雜交事件的假說(shuō)[29]。與2009年對(duì)WS 34/70線(xiàn)粒體基因組分析結(jié)果不同的是，OKUNO等通過(guò)對(duì)Lager酵母mt DNA的系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析，揭示了Lager酵母的線(xiàn)粒體基因組可以從兩個(gè)親本的任意一方獲得。此外還發(fā)現(xiàn)，Group Ⅰ型菌株和Group Ⅱ型菌株的mt DNA具有相同的來(lái)源(西藏)[37]。此外，研究發(fā)現(xiàn)在兩種類(lèi)型的Lager酵母基因組上至少存在3處相同的染色體間易位，認(rèn)為Group Ⅰ型和Group Ⅱ型是由相同的祖先進(jìn)化而來(lái)；但通過(guò)SNVs的分析卻證明了不同類(lèi)型Lager酵母基因組中含有不同的Sc-亞基因組，說(shuō)明Group I型和Group Ⅱ型在其進(jìn)化史上存在獨(dú)立的進(jìn)化起源[37]。因此認(rèn)為兩種類(lèi)型Lager酵母至少經(jīng)歷了一次共同的雜交事件，進(jìn)一步證明了第三種進(jìn)化假說(shuō)的可信性。

在Lager酵母基因組中，大多數(shù)的基因存在Sc-和Seb-兩個(gè)同源拷貝。但研究發(fā)現(xiàn)，在某些基因中，一個(gè)來(lái)源的基因拷貝由于發(fā)生了移碼突變或提前終止密碼子會(huì)導(dǎo)致功能缺失[38-39]。由于有些基因是酵母生存的必需基因，因此推測(cè)這種突變是在兩個(gè)親本雜交之后產(chǎn)生的[17]。對(duì)雜交菌株來(lái)說(shuō)，它平等地繼承了親本雙方的基因及其特性，但隨時(shí)間的推移及雜交菌株所受到的進(jìn)化壓力，一個(gè)親本的基因組則會(huì)表現(xiàn)出其主導(dǎo)地位，從而改變菌株的性狀[40-44]。這種性狀的改變是由雜交菌株的基因組不穩(wěn)定性所引起。許多研究也正是利用了Lager酵母的這種特性，通過(guò)人為引導(dǎo)進(jìn)化(適應(yīng)性進(jìn)化)獲得了性能優(yōu)良的酵母菌株[45-50]，包括高濃釀造Lager酵母、抗脅迫Lager酵母等。

5 結(jié)束語(yǔ)

在漫長(zhǎng)的啤酒釀造歷史中，人們無(wú)意識(shí)地對(duì)酵母進(jìn)行了人工馴化及篩選，并釀造出美味的啤酒。與其他發(fā)酵產(chǎn)業(yè)不同，大規(guī)模啤酒釀造中所使用的Lager酵母菌株仍存在局限性。在生命科學(xué)領(lǐng)域早已步入基因組時(shí)代的今天，如何利用全新的基因組學(xué)知識(shí)指導(dǎo)優(yōu)良酵母菌株的篩選也是當(dāng)今的研究重點(diǎn)。Lager酵母菌株的單倍體分離及雜交技術(shù)現(xiàn)已十分成熟，實(shí)現(xiàn)Lager酵母菌株的定制化也不再是夢(mèng)想。目前，國(guó)際許多研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行大規(guī)模菌株雜交的方式篩選新的酵母菌株，并用來(lái)釀造啤酒。利用現(xiàn)代生物學(xué)知識(shí)和高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)人工選擇獲得的酵母菌株與它們的祖先相比是否能夠生產(chǎn)出口味更佳、更具競(jìng)爭(zhēng)力的啤酒呢？還是讓我們拭目以待！