葡萄糖對Starmerella bacillaris香草醛耐受能力的影響

張清燕，趙 君，張 哲，陳 雄，姚 蘭,

（1.湖北工業大學生命科學與健康工程學院，湖北 武漢 430068；2.中國輕工武漢設計工程有限責任公司，湖北 武漢 430060）

木質纖維素是一種價格低廉的可再生資源，利用木質纖維素生產乙醇具有巨大的發展空間，但其結構復雜，必須經過一系列預處理才能被微生物利用，在預處理時會產生對微生物具有毒害作用的副產物[1]，可分為3大類——呋喃類、弱酸類和酚類[2]。這些副產物存在于水解液中會阻礙酵母的生長，從而降低乙醇發酵效率[1-2]。在這些抑制劑中，酚類抑制劑的毒性最強，會對細胞膜產生損傷，增加細胞膜的通透性和流動性，導致細胞膜的結構被破壞，無法正常發揮功能[3]。目前報道較多的是糠醛、5-羥甲基糠醛、乙酸和乙醇等抑制劑對酵母的影響，對酚類抑制劑的研究較少。由于在預處理過程中產生的酚類化合物種類繁多，缺乏有效的定量及定性分析方法，主要是以外源添加單一酚類抑制劑代替預處理產生的酚類化合物，以此對發酵的作用機理進行研究[4]。

香草醛是水解液中主要的酚類抑制物，在較低質量濃度下就可以對酵母生長產生抑制作用，一般作為酚類的代表抑制物被研究[3]，目前改善菌株對香草醛耐受的方法主要有基因工程改造和適應性進化[4]。前期研究表明通過過表達氧化還原酶的編碼基因（GCY1、YPR1、PEX5、MBF1、ADH7、ADH6）可以提高菌株的香草醛耐受性[5-8]。由代謝工程改造釀酒酵母獲得的一株可耐受多種脅迫因子的菌株XHR11，可將乙醇得率提高21.5%[9]。另外，過表達GSH1、CYS3、GLR1基因，可提高細胞內谷胱甘肽的含量，明顯增強菌株對水解液的耐受性[10]。另一方面，通過實驗室適應性進化可提高菌株Zymomonas mobilis對香草醛的耐受性和乙醇發酵性能[11]以及酵母Kluyveromyces marxianus對多種抑制劑的耐受能力[12-14]。Almario等[15]得到馴化菌株的生長速率比原始菌株提高了24%。通過基因工程和適應性進化得到高耐受性菌株都需要較長的實驗周期，且基因工程可能使酵母失去原有的優良特性，而向培養基中添加保護劑的方法可以縮短實驗周期，不會損害酵母原有特性，更利于生物乙醇生產[16]。已有研究表明，在同時含有呋喃類、弱酸和酚類抑制劑的培養基中添加1500 mg/L脯氨酸可將延滯期縮短10 h[17]。葡萄糖在酵母生長過程中為酵母提供生長所需的碳源，為酵母供能[18]。在秸稈預處理中產生的可溶性糖可在釀酒酵母發酵過程中減少酚酸對乙醇脫氫酶的抑制作用，調節細胞內氧化還原狀態，從而提高乙醇的產量[19]。10%葡萄糖也可保護熱脅迫下的畢赤酵母[20]。目前關于增加培養基中葡萄糖質量分數以提高酵母對香草醛耐受性的研究鮮見報道。

Starmerellabacillaris是一種非釀酒酵母菌，通常應用在葡萄酒釀造中，可以耐受高濃度的乙醇[21]，在極端糖濃度下具有更強的適應性[22]。目前關于抑制劑對酵母S.bacillaris的影響研究較少。本實驗選取實驗室現有的一株S.bacillaris，研究香草醛作為單一抑制劑對其生長的影響，并研究提高培養基中的葡萄糖質量分數后香草醛對該酵母生長的影響作用。同時測定對數生長前期酵母細胞內過氧化氫（H2O2）、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、膜滲透率、抗氧化酶的活性，細胞內外甘油的產量，糖代謝過程中與乙醇生成及抗氧化應激相關的酶與輔酶因子水平，旨在奠定S.bacillaris在工業生產乙醇中的應用基礎，降低乙醇的生產成本，提高發酵效率。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菌株S.bacillarisR5由本實驗室保藏。

2%酵母浸出粉胨葡萄糖（yeast extract peptone dextrose，YEPD）培養基：2%葡萄糖、2%蛋白胨、1%酵母粉。6% YEPD：6%葡萄糖、2%蛋白胨、1%酵母粉。

H2O2含量檢測試劑盒 中國貝奧蒂姆生物技術研究所；甘油含量測定試劑盒 北京普利萊基因技術有限公司；RNA提取試劑盒 北京天根生物技術有限公司；過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismut，SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）、己糖激酶（hexokinase，HK）、丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）、6-磷酸葡萄糖脫氫酶（6-phosphate glucose dehydrogenase，6-PGDH）、還原型輔酶II（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）檢測試劑盒南京建成生物工程研究所。

1.2 儀器與設備

高壓蒸汽滅菌鍋 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；電子分析天平 北京賽多利斯天平有限公司；超凈工作臺 天津市泰斯特儀器有限公司；HNY-211B全溫搖床天津歐諾儀器儀表有限公司；紫外-可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司；高效液相色譜 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；Accuri?C6流式細胞儀 美國BD公司；超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；ProFlexTMBase聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）儀 美國Applied Biosystems公司；CFX-96熒光定量PCR儀 美國Bio-Rad公司。

1.3 方法

1.3.1 乙醇發酵與發酵產物測定

從斜面上挑取酵母菌落接種到5 mL 2% YEPD中，30 ℃、200 r/min 培養24 h，取1 m L 轉接到50 mL 2% YEPD中培養12 h作為種子液，隨后按OD600nm＝0.5分別接種到50 mL 2%和6% YEPD發酵培養基中，30 ℃、200 r/min培養，每隔幾小時進行取樣。

通過測定OD600nm監測菌體的生長狀況。用3,5-二硝基水楊酸法[23]測定葡萄糖質量分數，高效液相色譜測定乙醇轉化率和香草醛質量濃度。乙醇測定液相色譜條件：高效液相色譜采用Shimadzu LC-10AD系統，色譜柱采用SUGAR SH1011色譜柱，柱溫50 ℃，示差折光檢測器，流動相為5.4 mmol/L硫酸，流速為1.0 mL/min。香草醛測定液相色譜條件：Inertsil ODS-SP色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm），柱溫30 ℃，檢測器溫度45 ℃，流動相：甲醇-0.01%乙酸溶液（65∶35，V/V），進樣量10 μL，流速為1.0 mL/min，檢測波長為270 nm。

1.3.2 酵母細胞中ROS含量及細胞膜損傷測定

取對數生長期前期的酵母細胞，用2’,7’-二氫二氯熒光黃雙乙酸鈉染液和碘化吡啶進行染色，用BD AccuriTM流式細胞儀測定細胞膜的完整性和細胞內ROS的積累量。

1.3.3 H2O2、甘油、SOD、CAT、HK、PK、6-GPDH、GSH-Px、NADPH水平的測定

將酵母培養至對數生長前期，發酵液12000 r/min離心5 min，棄上清液，按照相關試劑盒的說明書進行各成分水平測定。

1.3.4 實時PCR（real-time PCR）檢測

將S.bacillarisR5在2% YEPD培養基中30 ℃、200 r/min培養24 h轉接至新鮮的2% YEPD培養基中繼續培養，并將其作為種子培養基，取對數生長期的酵母細胞按照OD600nm＝0.5分別接入不含抑制劑的2%和6% YEPD培養基中培養，取樣監測細胞密度，待OD600nm＝1.0時，將此時刻定為0 h，向培養基中加入無菌的香草醛至香草醛的終質量濃度為3 g/L，繼續培養2 h。取0 h和2 h的樣品，液氮淬滅10 s后放置于－80 ℃保存。使用RNA提取試劑盒提取總RNA，使用NanoDrop 2000測定RNA濃度，按照沈勇[24]描述的程序以及5×HisScript II QRT Super Mix II進行反轉錄反應，用2×ChamQ Vmversal SYBR qPCR Master MIX進行real-time PCR，用2－ΔΔCt法計算己糖激酶（hexokinase，HK）、6-磷酸果糖激酶（6-phosphate fructose kinase，PFK）、異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenas，IDH3）、6-磷酸葡萄糖脫氫酶（6-phosphate glucose dehydrogenase，PGD）、乙醇脫氫酶（ethanol dehydrogenase，ADH5）、丙酮酸脫羧酶（pyruvate decarboxylas，PDC）、編碼醛酮還原酶基因GCY1基因的相對表達量。

1.4 數據處理與分析

實驗數據采用GraphPad Prism 8.0.1和FlowJo-V10軟件進行圖表繪制，應用Statistica 25.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 葡萄糖水平對S.bacillaris R5生長的影響

為了研究香草醛和葡萄糖含量對酵母生長的影響，在YEPD（分別含有2%和6%葡萄糖）培養基中加入不同質量濃度的香草醛。如圖1A所示，在YEPD（含2%葡萄糖）培養基中添加1 g/L香草醛對酵母生長無明顯影響，當香草醛質量濃度增加到3 g/L時，滯后期從6 h（1 g/L香草醛）延長到54 h（3 g/L香草醛）。同樣地，在YEPD（含6%葡萄糖）培養基中添加1 g/L香草醛對酵母生長無明顯影響，當香草醛質量濃度增加到3 g/L時，滯后期分別從6 h（1 g/L香草醛）延長到40 h（3 g/L香草醛），說明提高培養基中的葡萄糖質量分數至6%可以使酵母在高質量濃度香草醛（3 g/L）條件下的延滯期縮短14 h。如表1顯示，在兩種葡萄糖質量分數下，隨著香草醛脅迫的增加，菌株的比生長速率與對照組相比都顯著下降。如圖1B顯示，兩種葡萄糖水平下，加入低質量濃度香草醛（1 g/L），前10 h內香草醛的降解速率很快，加入高質量濃度香草醛（3 g/L）后，香草醛的降解速率很慢，酵母在培養基中的香草醛質量濃度降到很低時才開始生長，說明菌株本身對低質量濃度香草醛（1 g/L）具有抗性。

表1 香草醛和葡萄糖添加對酵母S.bacillaris在YEPD培養基中的動力學參數的影響Table 1 Effect of vanillin and glucose supplementation on kinetic parameters for the growth and ethanol production of S.bacillaris in YEPD medium

圖1 香草醛和葡萄糖添加對酵母S.bacillaris生長的影響Fig.1 Effect of glucose supplementation on the growth of S.bacillaris under vanillin stress

圖1C、D顯示了發酵過程中的葡萄糖消耗以及乙醇生成情況。當S.bacillarisR5酵母開始生長時，葡萄糖質量濃度急劇下降，乙醇質量濃度開始增加。在兩種葡萄糖水平下，低質量濃度香草醛（1 g/L）和高質量濃度香草醛（3 g/L）對酵母的葡萄糖消耗和乙醇生成量無顯著影響。2%葡萄糖水平下，最大乙醇質量濃度分別為6.06（對照）、6.23（1 g/L香草醛）、6.54 g/L（3 g/L香草醛），最大乙醇質量濃度對應的時間從8 h（對照）分別延遲到14（1 g/L香草醛）、60 h（3 g/L香草醛）；6%葡萄糖水平下，最大乙醇質量濃度分別為19.84（對照）、20.82（1 g/L香草醛）、21.49 g/L（3 g/L香草醛），最大乙醇質量濃度對應的時間從14 h（對照）分別延遲到16 h（1 g/L香草醛）和52 h（3 g/L香草醛）。3 g/L香草醛質量濃度對酵母的延滯期和乙醇轉化率有明顯影響，2%葡萄糖水平的延滯期為54 h，比生長速率為0.046 h－1，乙醇轉化率為（0.302±0.013）g/g，6%葡萄糖水平的延滯期為40 h，比生長速率為0.080 h－1，乙醇轉化率為（0.356±0.017）g/g，相較于2%葡萄糖水平延滯期縮短了25.92%，比生長速率提高了82.1%，乙醇轉化率提高了17.88%，可見，將培養基中的葡萄糖質量分數提高至6%可緩解3 g/L香草醛對酵母生長及產乙醇的抑制作用。

2.2 葡萄糖水平對S.bacillaris R5在香草醛脅迫下細胞內ROS的影響

酵母細胞中ROS含量過高會影響酵母細胞的活性[25]，在高滲、高溫、低溫等高壓條件下，細胞壽命會由于ROS的積累而減少[26]。如圖2所示，在同一葡萄糖質量分數下，香草醛質量濃度越高，含有ROS的細胞比例越高，說明香草醛會導致細胞內ROS的積累；在同一香草醛質量濃度下，含有ROS的細胞比例也隨著葡萄糖質量分數的增加而升高，說明高糖環境也會增加細胞內的ROS含量。2%葡萄糖水平時，含有ROS的細胞比例分別為1.53%（對照）、2.31%（1 g/L香草醛）、3.42%（3 g/L香草醛）；6%葡萄糖水平時，含有ROS的細胞比例分別為2.37%（對照）、2.90%（1 g/L香草醛）、4.51%（3 g/L香草醛）。在2%葡萄糖水平下，添加1 g/L和3 g/L香草醛后含有ROS的細胞比例分別增加了50.9%和123.5%，在6%葡萄糖水平下，添加1 g/L和3 g/L香草醛后含有ROS的細胞比例分別增加了22.3%和90.2%，可見即使6%葡萄糖水平下含有ROS的細胞比例較高，但在加入香草醛后，含有ROS的細胞增加比例均小于2%葡萄糖水平。為了減弱ROS對酵母產生的損傷，需要更高活性的SOD和CAT。

圖2 流式細胞儀分析不同葡萄糖質量分數在香草醛脅迫下菌株S.bacillaris產生的ROS含量Fig.2 Flow cytometry analysis of the ROS of content S.bacillaris produced under vanillin stress at different glucose concentrations

2.3 葡萄糖水平對S.bacillaris R5在香草醛脅迫下細胞膜的影響

細胞膜作為酵母與外界環境接觸的屏障，具有維持細胞內環境穩態、確保物質正常運輸的功能[27]，外界環境脅迫會改變細胞膜脂質組成，影響膜ATP酶的活性，使膜通透性、完整性等生理特性發生變化[28]。由圖3可知，在2%葡萄糖水平下，1 g/L和3 g/L香草醛組與對照組相比，膜滲透率分別提高了30%和62.8%；而在6%葡萄糖水平下，膜滲透率分別提高了1.7%和52.5%。說明將培養基中的葡萄糖質量分數由2%提高至6%可以降低香草醛脅迫下的膜滲透率，使細胞膜能更好地行使功能。這與通過外源添加麥角固醇的方式使釀酒酵母細胞在4 g/L糠醛脅迫下的膜滲透性降低了29.79%，延滯期縮短了25%的結果相似[29]，可見膜滲透性的降低有助于縮短酵母在逆境中的延滯期。

圖3 流式細胞儀分析不同葡萄糖濃度在香草醛脅迫下菌株S.bacillaris的細胞膜完整性Fig.3 Flow cytometry analysis of cell membrane integrity of S.bacillaris under vanillin stress at different glucose concentrations

2.4 葡萄糖水平對S.bacillaris R5在香草醛脅迫下細胞內H2O2濃度的影響

H2O2是一種強氧化劑，可以跨膜擴散到細胞中，形成跨膜梯度，一方面，H2O2可以直接或間接地氧化細胞內核酸、蛋白質等生物大分子，并破壞細胞膜，從而加速細胞的衰老和解體；另一方面H2O2也是許多氧化應激反應中的關鍵調節因子[30]。如圖4所示，在2%葡萄糖水平下，H2O2的濃度分別為0.52（對照）、1.3（1 g/L香草醛）、2.7 μmol/L（3 g/L香草醛）；6%葡萄糖水平下，H2O2的濃度分別為0.78（對照）、2.0（1 g/L香草醛）、3.1 μmol/L（3 g/L香草醛）。加入香草醛后，2%葡萄糖水平下的H2O2濃度分別提高了150%（1 g/L香草醛）和419%（3 g/L香草醛），6%葡萄糖水平下的H2O2濃度分別提高了156%（1 g/L香草醛）和297%（3 g/L香草醛）。在高質量濃度香草醛（3 g/L）下，6%葡萄糖水平下H2O2濃度的增加量明顯低于2%葡萄糖水平。在應激條件下，酵母為了更好地生長會相應提高CAT和GSH-Px的活性分解H2O2[31]。

圖4 S.bacillaris細胞內H2O2濃度Fig.4 Intracellular H2O2 contents in S.bacillaris

2.5 葡萄糖水平對S.bacillaris R5在香草醛脅迫下細胞內抗氧化酶活性及NADPH含量的影響

如圖5A所示，同一葡萄糖水平下，CAT的活性隨著香草醛質量濃度的升高而增加，2%葡萄糖水平下分別為1.33（對照）、3.29（1 g/L香草醛）、5.68 U/mg（3 g/L香草醛），6%葡萄糖水平下分別為2.02（對照）、5.26（1 g/L香草醛）、13.6 U/mg（3 g/L香草醛）。在同一香草醛水平下，6%葡萄糖水平比2%葡萄糖水平的CAT活力分別提高了34%、37%、58%，這與細胞內H2O2濃度的分析結果相印證（圖4），當酵母受到氧化應激時，通過提高抗氧化酶CAT的活性減輕ROS對細胞的損傷[32]。

圖5 S.bacillaris細胞內抗氧化酶活性及NADPH濃度Fig.5 Antioxidant enzyme activities and NADPH contents in S.bacillaris cells at different glucose levels under vanillin stress

SOD能夠保護酵母不受培養環境條件的變化而產生的氧化物傷害[32-33]。兩種葡萄糖水平下的SOD活性呈現相同的趨勢（圖5B），均與香草醛的質量濃度呈線性相關。同一香草醛質量濃度下，高葡萄糖水平的SOD活性均高于低水平葡萄糖，其中在3 g/L香草醛中，2%葡萄糖水平的SOD活性為138 U/mL，6%葡萄糖水平的SOD活性為214 U/mL，提高了35.5%。在兩個對照組之間，2%和6%葡萄糖水平的SOD活性分別為83 U/mL和137 U/mL，這與不加抑制劑時高葡萄糖水平的H2O2濃度高于低水平葡萄糖的結果表現一致，可能與酵母在高糖環境下的滲透脅迫有關[18]。

酵母在氧化應激下通過增強酵母中SOD和CAT的活性，可以很好地調節異常的ROS含量，保證酵母細胞的活性和正常的生殖代謝[33]，高糖水平增加了與抗氧化機制相關的酶活性。酵母在高糖環境下的氧化損傷比低糖水平下強，但同時酵母細胞中SOD和CAT抗氧化酶活性增加。SOD在酵母中將超氧陰離子自由基（O2－·）轉化為H2O2，而CAT則進一步將H2O2轉化為水和氧[34]。

GSH-Px是機體內廣泛存在的一種重要的催化H2O2分解的酶，能特異性地催化還原型GSH對H2O2的還原反應，可以起到保護細胞膜結構和功能完整的作用[28]。如圖5C所示，2%葡萄糖水平中的GSH-PX活力分別為3.36、12.6、20.8 個酶活力單位；6%葡萄糖水平中的GSH-PX活力分別為11.8、20.6、48.3 個酶活力單位。在6%葡萄糖水平下，GSH-Px活力分別是2%葡萄糖水平的3.5（對照）、1.6 倍（1 g/L香草醛）和2.3 倍（3 g/L香草醛），因此，在對數生長期前期，在高質量濃度抑制劑下，S.bacillarisR5會應激出現更高的酶活抵御損傷。

NADPH是酵母中應對氧化應激的重要物質，它作用于GSH，消除酵母細胞內ROS[35]。磷酸戊糖途徑和三羧酸循環的代謝過程中會產生和利用NADPH。NADPH的濃度可以反映酵母的抗氧化狀態，也可以間接反映不同葡萄糖水平下酵母的應激強度[36]。如圖5D所示，兩個葡萄糖水平的對照組和加入1 g/L香草醛實驗組的NADPH水平并沒有明顯區別，但在加入3 g/L香草醛后，6%葡萄糖水平的NADPH濃度比2%葡萄糖水平提高了19.4%。根據ROS變化的結果可知，在酵母細胞中，高水平的NADPH用于響應氧化應激。在高糖水平下，磷酸戊糖途徑的代謝增強，產生更多的NADPH。

2.6 葡萄糖水平對S.bacillaris R5在香草醛脅迫下細胞內外甘油變化量的影響

甘油是酵母細胞的正常代謝物，是酵母保護劑之一[37]。在應激條件下，酵母一般會通過高滲透壓甘油途徑增加細胞中甘油的代謝產量，維持酵母細胞滲透壓與外界環境的平衡[38]。如表2所示，添加1 g/L和3 g/L香草醛時，6%葡萄糖水平下的酵母胞內甘油質量濃度分別為38.94 mg/L和39.66 mg/L，分別是2%葡萄糖水平下胞內甘油質量濃度的1.51 倍和1.83 倍，這可能是充分的碳源代謝和應激反應的結果，說明高葡萄糖水平能夠刺激酵母產生更多的甘油[39]。6%葡萄糖水平下的細胞內含有更高的甘油質量濃度，對酵母的保護作用大于2%葡萄糖水平，從而使酵母能夠在3 g/L香草醛的抑制下縮短延滯期。在含有180 g/L NaCl溶液的YEPD培養基中添加5 g/L硫胺素，促進了甘油的有效合成，使酵母細胞更快適應高鹽脅迫環境，將延滯期縮短了12 h[40]。釀酒酵母在4 g/L糠醛脅迫下，外源添加50 mg/L麥角固醇可使細胞內的甘油質量濃度提高4.89 倍[29]，可見甘油的增加可以維持膜的穩定性，使膜更好的行使功能，與2.3節所得膜損傷率降低的結果對應（圖3）。

表2 不同葡萄糖水平下S.bacillaris細胞內外甘油變化量Table 2 Intracellular and extracellular glycerol contents in S.bacillaris at different glucose levels under vanillin stress mg/L

2.7 葡萄糖水平對S.bacillaris R5在香草醛脅迫下與碳代謝相關酶的影響

HK是葡萄糖分解過程中的第一個關鍵酶，它控制了整個酵母的碳通量代謝系統，催化葡萄糖轉化為6-磷酸葡萄糖，是酵母代謝的關鍵酶[41]。如圖6A所示，6%葡萄糖水平下細胞初始HK活力為2%葡萄糖水平的1.55 倍；在添加3 g/L香草醛后，6%葡萄糖水平實驗組的HK活力顯著高于2%葡萄糖水平實驗組，是后者的4.16 倍，這與曾令杰等[41]的研究中在經過甲酸處理后增加了酵母細胞內的HK活力、促進了葡萄糖的分解代謝，為酵母抵抗甲酸損傷提供了能量的結論相似。

圖6 S.bacillaris 細胞內與糖代謝相關酶的活性Fig.6 Activity of S.bacillaris intracellular enzymes related to glucose metabolism

PK是糖酵解過程中不可缺少的酶，其活力水平可以反映糖酵解過程中的通量[42-44]。加入香草醛后，兩個葡萄糖水平實驗組中的丙酮酸激酶的活力均呈下降趨勢（圖6B），2%葡萄糖水平的對照組PK活力為52.8 U/L，3 g/L香草醛實驗組PK活力為22.7 U/L，PK活力下降了57%；6%葡萄糖水平的對照組的PK活力為76.4 U/L，3 g/L香草醛實驗組PK活力為34.7 U/L，PK活力下降了54.5%。在3 g/L香草醛抑制下，6%葡萄糖水平下細胞PK活力的下降速率比2%葡萄糖水平降低了4.3%，說明6%葡萄糖水平產生更多的丙酮酸，由此產生更多的乙醇，低PK活力引起磷酸烯醇式丙酮酸及其底物的積累，磷酸烯醇式丙酮酸會抑制磷酸丙糖異構酶，增強了磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway，PPP），使細胞對氧化劑的抗性增強[44]。

6-PGDH是己糖代謝和戊糖代謝的關鍵酶[45]，該酶可以穩定酵母細胞中NADPH的濃度、抑制氧化應激反應、保護線粒體[46]。在低糖和高糖水平下，實驗組6-PGDH的活力均比對照組高（圖6C），添加 3 g/L香草醛時，6%葡萄糖中的6-PGDH活力高達10.1 nmol/（min·mL），顯著高于2%葡萄糖，說明對于S.bacillarisR5，6%葡萄糖水平下的酵母代謝在對數生長前期細胞中產生了足夠的戊糖，使酵母具有更強的抗逆能力[47]，且在高糖環境下高表達了PGD基因，生成了更多的NADPH，這與酵母上調磷酸戊糖代謝基因以應對高糖環境的策略一致[48]。在6%和15%葡萄糖水平下，酵母細胞中的6-PGDH的活力顯著高于3%葡萄糖水平，使酵母能夠更好地應對氧化應激反應[18]。

2.8 與糖代謝及酵母香草醛耐受相關基因的表達水平

前期研究結果表明，提高培養基中的葡萄糖濃度可以使酵母更好地抵御香草醛造成的抑制作用，且提高了乙醇轉化率，為揭示其機理，通過real-time PCR測定了與糖代謝相關酶（HK、PFK、IDH3、PGD、ADH5、PDC）以及文獻報道酵母中與香草醛耐受相關酶（醛酮還原酶）GCY1基因的表達水平（圖7）。糖酵解和三羧酸循環可為細胞提供能量，HK和PFK是糖酵解的兩個限速酶，IDH3在三羧酸循環中將NAD＋或NADP＋還原成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced form of nicotinamide-adenine dinucleotide，NADH）或NADPH，NADPH可催化氧化GSH生成還原GSH，還原GSH是常見的抗氧化物質[49]。酵母在無氧環境下，PDC催化丙酮酸生成乙醛和二氧化碳，從而進行乙醇發酵。PGD是PPP的第一個限速酶，其在還原6-磷酸葡萄糖時產生的NADPH是胞質內還原力的重要來源，研究表明細胞在經歷氧化應激時的第一反應是上調PPP以促進NADPH的產生[50]。在生物合成乙醇的過程中，乙醛在乙醇脫氫酶的作用下轉化成乙醇是一個關鍵步驟。研究表明，在產乙醇的微生物中過表達醇脫氫酶基因可提高乙醇產量[51]，如在Dekkera bruxellensis酵母中過表達ADH3基因可將乙醇產量提高1.2 倍[52]。醛酮還原酶可以催化醛和酮化合物的還原反應，這些催化反應可以利用NADH或NADPH等輔因子作為電子供體，生成相應的醇類物質，如醇、二醇等。編碼醛酮還原酶的基因GCY1過表達可以使釀酒酵母在含有6 mmol/L香草醛的培養基中的比生長速率提高49%[53]，并過表達GCY1基因可提高菌株香草醛的還原速率，可作為還原酶將香草醛直接還原為毒性較低的香草醇[6]。

圖7 與糖代謝和香草醛耐受相關基因在酵母S.bacillaris中的表達水平Fig.7 Expression levels of genes related to glucose metabolism and vanillin tolerance in S.bacillaris

在3 g/L香草醛脅迫下，2%葡萄糖水平下僅有PDC和GCY1基因表達水平上調，6%葡萄糖水平下HK、PFK、IDH3、PGD、ADH5、gabD、PDC及GCY1基因均呈現上調，分別上調4.6、2.5、13.9、12.2、17.5、34.8 倍和34.9 倍，其中與乙醇生成最相關的基因ADH5在2%葡萄糖水平下并沒有上調，在6%葡萄糖水平下表達上調17.5 倍。與香草醛耐受相關基因GCY1在2%葡萄糖水平下僅上調3 倍，在6%葡萄糖水平下上調高達34.9 倍。

將培養基中的葡萄糖質量分數提升至6%促進了碳代謝過程中一些酶相關基因的表達水平，PGD的高表達可得到高活性的6-PGDH，可見在脅迫環境下高葡萄糖質量分數促進碳源流向PPP，生成了更多的NADPH，從而提供更多的還原力，這也與前期所得高濃度的NADPH結果相印證。ADH5的高表達促進了乙醛向乙醇的轉化，提高了乙醇的轉化率，GCY1的高表達促進了香草醛向香草醇的轉化（圖8），使得在3 g/L香草醛抑制下的酵母延滯期從54 h縮短至40 h，說明了6%葡萄糖水平可提高S.bacillarisR5酵母菌株對香草醛的耐受程度。

圖8 6%葡萄糖水平下與糖代謝相關酶的基因表達變化Fig.8 Changes in gene expression of enzymes related to glucose metabolism at glucose level of 6%

3 討論

香草醛是木質纖維素原料水解產生的有毒副產物之一，在纖維素乙醇發酵過程中會抑制酵母細胞的生長和代謝[3]。已有研究表明4 mmol/L香草醛會對酵母的生長產生抑制作用[8]，在抑制劑存在的條件下酵母的細胞膜會由于氧化應激的影響使得孔隙變大[54-55]，甘油產量降低會導致ROS的積累[54]。本研究發現，3 g/L香草醛可明顯抑制酵母的生長和乙醇發酵，經香草醛處理的酵母細胞內H2O2、ROS的含量及膜滲透率均提高，說明香草醛破壞了細胞膜，使膜通透性增大，脂質過氧化程度加劇，引起酵母細胞氧化損傷，使細胞的衰老和解體加速。

葡萄糖為酵母提供生長和發酵所需的能量[18,54]，在高溫環境下葡萄糖可作為一種保護劑減輕酵母由熱應激而產生的氧化損傷，降低ROS含量[20]。葡萄糖還可以調節細胞內GSH的水平，在細胞應激反應中發揮作用[54-55]。在秸稈預處理中產生的可溶性糖可以加速細胞外基質的合成，使得在酚酸脅迫下酵母細胞膜的損傷降低[19]。在酵母的對數生長期，大部分碳源主要流向PPP、甘油代謝和乙醇代謝，而ROS含量和膜滲透率增加需要通過調節SOD和CAT等抗氧化酶來應對[18]。本研究發現，將葡萄糖的質量分數從2%提高至6%后，酵母在3 g/L香草醛抑制作用下的延滯期縮短了14 h，比生長速率提高了82.1%，乙醇轉化率提高了17.88%。在6%葡萄糖水平下，CAT活性提高58%，SOD活性提高35.5%，GSH-Px活性提高2.3 倍，甘油質量濃度提高1.82 倍，這些變化可以保證細胞在脅迫環境下的活性從而進行正常的生殖代謝；HK和6-PGDH的活力分別提高了4.16、11.8 倍，PK活力下降了54.5%，其中HK是糖代謝的第一個關鍵酶，低HK活性可增強PPP[40]，PK可以平衡糖酵解和呼吸作用[43]，6-PGDH可以穩定細胞內NADPH的濃度，抑制氧化應激反應[18,46]；NADPH的濃度提高了19.4%，NADPH主要由PPP產生，說明PPP被增強，此途徑在脅迫環境下被增強可提高酵母對應激條件的耐受能力[18]；與糖代謝相關的酶基因如PGD、HK等的高表達一方面與高酶活性相呼應，另一方面也進一步說明在3 g/L香草醛脅迫下添加6%葡萄糖可以促進PPP。乙醇脫氫酶基因ADH5的表達水平提高了17.5 倍，使乙醛向乙醇的轉化加速。可見，提高培養基中的葡萄糖質量分數可以提高抗氧化酶的活性，更好地分解應激產物，并且促進了PPP，從而生成更多的還原酶使酵母更好的應對高脅迫的生長環境。醛酮還原酶基因GCY1的高表達提高了香草醛向無毒的香草醇的轉化速率，為酵母的生長和發酵提供更有利的條件。

4 結論

3 g/L香草醛可明顯抑制酵母的生長，延長酵母乙醇發酵的周期，香草醛的脅迫可使酵母細胞的膜通透性增加，細胞內容物外泄，氧化還原失衡。為了減弱抑制作用，將培養基中的葡萄糖質量分數由2%提高至6%，縮短了延滯期及乙醇發酵周期，提高了細胞內抗氧化酶的活性，調節了細胞內的氧化還原平衡，減弱了脂質氧化損傷，為酵母提供了更多的ATP以及還原力以應對脅迫環境，從而提高乙醇的轉化速率。本研究可為S.bacillarisR5酵母提高酚類抑制物的耐受能力提供一種解決方案。