釀酒酵母（拉丁學名：Saccharomyces cerevisiae），又稱面包酵母、芽殖酵母或啤酒酵母，是酵母科酵母屬的一種單細胞真菌生物，也是與人類關系最為密切的微生物之一。1838年，J.邁耶在啤酒中觀察到該菌株并命名，丹麥生物學家E.C.漢森于1883年對其進行了正式描述。
釀酒酵母細胞呈圓形、橢圓形、卵形、臘腸形。營養細胞可直接形成子囊，每個子囊有孢子1～4個，圓形、光面。生長在麥芽汁瓊脂培養基上的釀酒酵母菌落為乳白色，有光澤、平坦、邊緣整齊；細胞寬度2.5～10微米，長度4.5～21微米。在純培養狀態下菌落呈奶油狀，自制淡奶油色，表面光滑，中間常凸起，細胞直徑為3～10微米。釀酒酵母廣泛分布于自然界，喜在糖分高、偏酸性的環境中生長，在25～35℃下生長良好。可強力發酵葡萄糖，一般可發酵半乳糖、蔗糖、麥芽糖和棉子糖（棉子糖），但不能發酵乳糖。釀酒酵母具有無性和有性兩種繁殖方式，并具有一個獨特的生命周期，通常以二倍體形式生長，并通過多邊出芽方式進行無性繁殖。
釀酒酵母是最早被分離培養的微生物之一，因其具有明確和易誘導的有性生殖階段，逐漸成為遺傳學、細胞生物學和分子生物學等研究領域中被廣泛應用的模式生物。其基因組于1996年被全部測定，釀酒酵母因此成為全基因組被精確測定的第一種真核生物生物。釀酒酵母具有16條染色體，基因組大小約為12兆核苷酸堿基對，大約含有6000個基因，其中大約2/3以上基因的功能已被確定，成為現代基因組學、系統生物學和合成生物學等研究中不可替代的模式物種和參照物種。釀酒酵母廣泛用于生物醫藥、食品、輕工業和生物能源等領域，生產重組蛋白、天然活性物質、有機酸和燃料乙醇等產品。
命名
1838年，J.邁耶在啤酒中觀察到該菌株并命名，丹麥生物學家E.C.漢森于1883年對其進行了正式描述。
起源與演化
酵母菌的馴養史可追溯到約9000年前，與主要動植物約10000年的馴養史相似。但對酵母馴養的研究遠滯后于動植物馴養研究，動植物馴養研究始于查爾斯·達爾文時代，已有150多年歷史，而酵母馴養研究近期才開始，部分原因是缺乏對野生釀酒酵母的了解和合適的野生群體作為參照。2005年有研究首次證明釀酒酵母存在明確的野生和馴養群體，此后聚焦于釀酒酵母遺傳多樣性、群體遺傳學和群體基因組學的研究逐漸增多，識別出更多馴養和野生釀酒酵母譜系。
2009年，研究人員對來自世界各地的38株釀酒酵母和35株野生姊妹種奇異釀酒酵母進行群體基因組學分析，在釀酒酵母中界定了馬來西亞、北美、日本清酒、西非和 “葡萄酒 / 歐洲”5個主要譜系，在奇異釀酒酵母中界定了歐洲、遠東、美洲和夏威夷王國4個譜系。該研究還表明，全球釀酒酵母菌株的遺傳多樣性非常有限，僅相當于一個單一的奇異釀酒酵母群體。2015年發表的100株釀酒酵母基因組計劃研究結果，與2009年的結果基本相似，顯示出主要由上述5個譜系組成的群體結構，以及主要由臨床來源菌株構成的馬賽克組。此外，有研究利用微陣列分析技術提取63株釀酒酵母的基因組單核苷酸多態性數據進行系統發育分析，識別出葡萄酒、日本清酒和實驗室3個不同譜系；還有研究使用限制性位點相關測序策略對262株釀酒酵母菌進行基因分型，識別出與地理來源相關的歐洲、北美、亞洲和非洲 / 東南亞群體，以及來自特定發酵環境的小族群，并認為釀酒酵母可能具有更高的遺傳多樣性和更復雜的群體結構，還有更多譜系有待發現。
此前關于釀酒酵母的群體遺傳和群體基因組研究中，所用菌株主要來自發酵和人工環境，野生菌株很少，且部分被認為是真正野生菌株的橡樹來源菌株，其分離源常位于人造林或公園，無法排除與人類活動的關聯。后來，有實驗室對102株不同地理和生態來源的中國野生釀酒酵母菌株（含30多株來自原始森林的菌株）進行群體遺傳學分析，發現野生菌株具有超出預料的高度遺傳多樣性，展現出由高度分化譜系組成的清晰群體結構，還從中國菌株中鑒定出8個新的野生譜系。這一結果首次展示了釀酒酵母從原始森林到人工林、果園，再到發酵環境的演化趨勢，否定了釀酒酵母只是一個馴養種的觀點，也消除了其能否作為生態學和生物地理學研究模式生物的疑慮。對全球來源釀酒酵母遺傳多樣性的分析發現，中國野生釀酒酵母菌株貢獻了該種的大部分遺傳變異，其遺傳多樣性比世界其他地區所有菌株的遺傳多樣性高出近一倍，且系統演化樹上位于基部的該種最古老譜系，均由中國菌株構成，為釀酒酵母起源于東亞的假說提供了有力證據，并表明該種最可能起源于中國。
近年來，不同實驗室對生態和地理來源更廣泛多樣的釀酒酵母菌株進行基因組測序，已有超過2300株釀酒酵母的基因組序列數據公布。這些菌株覆蓋全球93個國家或地區，但地理來源不均衡，大多來自少數幾個國家，其中中國的菌株最多，包括中國大陸340 多株和中國臺灣120多株；且菌株的生態來源也不均衡，與葡萄酒釀造相關的菌株比例過高。法國兩個實驗室聯合完成了迄今為止規模最大的釀酒酵母基因組測序項目，對918株國際來源的釀酒酵母菌株進行基因組測序，并整合之前已測序的93株菌的基因組數據，對共1011株釀酒酵母進行群體基因組分析，確定了26個進化分支或譜系，包括10個馴養分支、11個野生分支、5個尚未明確標定的分支以及3個雜合類群。基于全基因組單核苷酸多態性的系統發育基因組和主成分分析結果，支持釀酒酵母起源于中國的假說，并認為中國以外的釀酒酵母群體可能起源于該種的單次走出中國事件。
來自中國的菌株對釀酒酵母起源與演化研究至關重要，但在上述1011株釀酒酵母的群體基因組研究項目中，中國的野生和馴養菌株非常有限，僅包含中國大陸9株野生菌株和2株馴養菌株。與此同時，有實驗室對中國不同地理和生態來源的106株野生和160 株馴養釀酒酵母菌株進行基因組測序，這些菌株包括來自原始森林的最古老野生譜系和傳統古法釀造過程的馴養譜系，還整合了全球來源共287株釀酒酵母的基因組數據。通過對代表全球最高遺傳多樣性的 553 株野生和馴養釀酒酵母菌株進行群體基因組分析，更清晰地揭示了野生和馴養群體間的明確分化。在野生群體中，中國野生菌株聚集成10個不同譜系，除了之前識別的 8 個野生譜系外，還發現了2個新譜系，其中分離自神農架林區原始森林的譜系是目前已知的釀酒酵母最古老譜系，該譜系的發現使釀酒酵母的全球遺傳多樣性增加了約三分之一，為該種起源于中國 / 東亞的說法提供了更充分的證據。
分類
群體
釀酒酵母的馴養群體包含2個主要類群，分別與液態發酵（liquid-state 發酵, LSF）和固態發酵（固體state fermentation, SSF）過程相關。SSF類群包含白酒、黃酒、青稞酒和饅頭譜系，全部來自東亞。先前研究中確認的日本清酒（Sake）譜系屬于黃酒譜系的一個子分支，說明日本清酒發酵菌株可能起源于中國黃酒菌株。LSF類群則具有世界范圍的地理來源，包括活性干酵母（active dry 酵母浸膏, ADY）、發酵乳、葡萄酒和啤酒等譜系。ADY譜系主要由用于面團發酵（固態發酵）的商業酵母菌株組成。該譜系聚集在與啤酒和葡萄酒譜系密切相關的LSF類群中，表明商業面包酵母可能最初是從歐洲啤酒或葡萄酒菌株中培育而來。中國馴養菌株的遺傳多樣性明顯高于世界其他地區，表明中國/東亞地區也是釀酒酵母馴養群體的起源中心。
非洲具有悠久的發酵食品制作歷史和豐富多樣的傳統發酵食品和酒精飲料，實際上也有人提出過釀酒酵母最先在非洲被人類利用和馴養的假說]。但在以前的釀酒酵母群體基因組研究中，來自非洲的菌株很有限，對非洲野生和馴養釀酒酵母的遺傳多樣性缺乏充分的了解。實驗室對來自非洲不同國家本土發酵食品和森林的64株釀酒酵母菌株進行了基因組測序，并整合了以前研究中測序的代表釀酒酵母所有已知譜系的486株菌的基因組數據，進行了綜合的系統發育分析。除了前人研究中已識別的非洲棕櫚酒和西非可可譜系外，從非洲菌株中識別出了4個新譜系，即毛里求斯/南非譜系、南非啤酒譜系、西非啤酒譜系和非洲蜂蜜酒譜系（圖 3）。非洲棕櫚酒譜系與確認的亞洲島嶼譜系形成高支持度的姊妹譜系，并位于野生群體的頂部，說明這2個譜系可能代表從野生向馴養轉化的過渡譜系。毛里求斯/南非譜系位于固態發酵（SSF）類群的基部，非洲可可、啤酒和蜂蜜譜系位于液態發酵（LSF）類群的基部。
同類
從脫氧核糖核酸-DNA同源性研究大體上肯定了亞羅（Yarrow）7種分類系統中大多數種劃分的合理性，但發現釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一個非自然種。在亞羅界定的釀酒酵母種內，至少存在4個遺傳上獨立的種，它們分別是：貝酵母（Saccharomyces bayanus）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、奇異酵母（Saccharomyces paradoxus）和巴氏酵母（Saccharomyces pastorianus）。在巴尼特（Barnett）等人于 1990 年出版的《酵母菌：特征與鑒定》（Yeasts: Characteristics and Identification）一書中，釀酒酵母屬（Saccharomyces）的種數從 7 種增加到了10種。
與工業生產關系最密切的4個種，構成了釀酒酵母屬（Saccharomyces）內的狹義釀酒酵母組（Saccharomyces sensu stricto），它們分別是：貝酵母（S. bayanus）、釀酒酵母（S. cerevisiae）、奇異酵母（S. paradoxus）和巴氏酵母（S. pastorianus）。大量生態與生物技術領域的研究表明，釀酒酵母（S. cerevisiae）是乙醇生產和果汁發酵釀酒的主要菌種；而橢圓酵母（S. ellipsoideus）、卵形酵母（S. oviformis）、卡爾酵母（S. carlsbergensis）、橢圓釀酒酵母（S. ellipticus）等傳統名稱，均代表釀酒酵母種下具有不同技術性能的株系。沃恩 - 馬蒂尼（Vaughan-Martini）與庫茨曼（Kurtzman）發現，貝酵母（S. bayanus）與釀酒酵母（S. cerevisiae）之間的 脫氧核糖核酸 同源率極低，僅為 10%；而巴氏酵母（S. pastorianus，即卡爾酵母S. carlsbergensis）與前兩者的 DNA 同源率均較高，在58%至70%之間。釀酒酵母（S. cerevisiae）、貝酵母（S. bayanus）與巴氏酵母（S. pastorianus）的基因組相對大小為1:1.5:1.46，因此他們認為，巴氏酵母是由貝酵母與釀酒酵母雜交產生的部分異源多倍體（allopolyploid，指具有不同來源基因組的多倍體）演化而來。他們的研究還發現，啤酒生產中所使用的菌株大多屬于巴氏酵母 。奇異酵母（S. paradoxus）僅存在于自然環境中，極少從生產環境中分離得到；根據 脫氧核糖核酸 雜交試驗與遺傳分析，有研究者推測，工業生產中應用的釀酒酵母菌株可能是由奇異酵母馴化而來。上述 4 個種在形態、生理生化等表型性狀上極為相似：貝酵母可通過在無維生素培養基中的生長能力，奇異酵母可通過對甘露醇的同化能力，分別與釀酒酵母和巴氏酵母區分；而后兩者的區別則更為模糊 —— 一般來說，巴氏酵母菌株無法在高于34℃的溫度下生長，釀酒酵母菌株的最高生長溫度雖存在差異，但大多數可在 37℃或更高溫度下生長。
形態特征
釀酒酵母菌細胞呈圓形、橢圓形、卵形、臘腸形。營養細胞可直接形成子囊，每個子囊有孢子1-4個，圓形、光面。生長在麥芽汁瓊脂培養基上的釀酒酵母菌落為乳白色，有光澤、平坦、邊緣整齊；細胞寬度2.5～10微米，長度4.5～21微米，長與寬之比為1:2，多為圓形、卵圓形或卵形。在純培養狀態下菌落呈奶油狀，自制淡奶油色，表面光滑，中間常凸起。細胞一般為球形或卵形，直徑為3～10微米。
物質結構
釀酒酵母細胞壁是一個動態的且被調控得非常有序的細胞結構，其結構和組成被嚴格調控并能通過全局應答系統對環境變化作出廣泛地響應。
釀酒酵母細胞壁為雙層結構，內層是由β-1,3-葡聚糖和 β-1,6-葡聚糖組成的葡聚糖層，在出現牙痕的附近還含有一定數量的甲殼質。外層是由性質不同的各種甘露糖蛋白組成。在酵母細胞壁中，甘露糖蛋白是酵母細胞壁的重要組成部分，它除了可以參與酵母細胞之間的交配外，還與菌落形態變化以及生物大分子的免疫識別等相關。當酵母細胞的生長環境發生異常變化或細胞壁結構受到破壞時，細胞壁表面感受壓力因子將信號傳遞給細胞，然后再通過細胞壁完整性 （Cell wall integrity,CWI） 途徑或高滲透性丙三醇（High osmolarity glycerol,HOG） 途徑等及時進行調節，來抵抗不良環境，減少對細胞的損害。
釀酒酵母在傳代的過程中，酵母細胞壁內層的骨架結構成分葡聚糖所占比例隨著代數的增加逐漸積累，而對細胞壁蛋白起修飾作用的甘露糖含量則逐漸減少。研究表明當這些酵母細胞處于營養匱乏的環境中時，細胞壁的變化更加明顯，正常發酵條件下酵母細胞壁的厚度增加趨勢緩慢，而在營養匱乏的條件下，厚度增加的趨勢明顯加快，第一代細胞壁厚度維持在0.2 微米左右，到了第5代已經達到0.3 微米左右。分析酵母菌骨架結構層 （葡聚糖） 的聚合度變化時，發現在傳代過程中，酵母菌細胞壁內層葡聚糖的聚合度隨著代數的增加而逐漸降低，而且葡聚糖組成中的 β-1,6-糖苷比例降低，β-1,3-糖苷鍵比例增加。
釀酒酵母與細菌相比，在細胞大小、細胞壁組成、生長溫度等方面都有很大差異（詳見下表）：
生態分布
發現釀酒酵母在原始森林等自然環境中普遍存在，并可能偏好闊葉樹樹干、腐木和周圍土壤等生境。中國釀酒酵母的遺傳多樣性顯著高于世界其他地區，該物種最古老的譜系也僅發現于中國，說明中國可能是該物種的起源地。生態適應是塑造該物種群體結構的主要力量，導致其野生和馴養群體之間的明顯分化。馴養群體又分化為固態發酵和液態發酵兩大類群，每個類群內又形成不同的馴養譜系。該物種野生群體的遺傳多樣性遠高于其馴養群體，而野生群體遺傳多樣性的形成主要由中性突變引起。中國野生和馴養群體在麥芽糖利用能力、基因組雜合性、子囊孢子形成率和孢子活力等方面表現出顯著差異，表明這2個群體采取不同的生活策略來適應其不同的生活環境。馴養群體通過群體或譜系特異性基因拷貝數、基因含量和等位基因分布等變異，并通過橫向轉移以及基因漸滲獲得外源基因等方式，實現對特定生態位的適應。
自然界
釀酒酵母最初是從發酵環境中被發現的，并普遍存在于富含糖類的食品和飲料發酵過程中，很少從野外自然環境中被分離到，因此曾經被認為是一種被完全馴養的微生物。偶爾從野外分離的釀酒酵母菌株，被認為可能是從發酵環境中逃逸出去的。然而，早期日本學者進行的野外調查表明，釀酒酵母從森林樣品，包括土壤、腐葉和樹皮中被分離出的幾率很高，意味著該物種可能在自然界中普遍存在。隨后，越來越多的研究還表明，除葡萄園等果園外，釀酒酵母還可能廣泛分布在于森林等野外環境中。
基于釀酒酵母常在富含糖的發酵環境中占主導地位的現象，一般認為釀酒酵母在葡萄園等果園中應該很常見。從葡萄果實中分離出該種酵母的成功率卻很低。宏基因組測序數據也表明，與其他類群的酵母菌相比，葡萄園成熟葡萄上的釀酒酵母非常罕見。2012年報道的野外調查工作共采集了2064份樣品，分離結果表明，從水果樣品中分離出釀酒酵母的成功率（6.5%）低于從腐木（9.2%）、土壤（10.8%）和樹皮（16.5%）樣本。從森林土壤樣品中分離出釀酒酵母的頻率（13.7%）高于果園土壤樣品（9.1%）。在采集的各種水果樣品中，從葡萄樣品中分離到釀酒酵母的成功率最低（1.8%）。
釀酒酵母及同屬的野生姊妹種奇異釀酒酵母（S. paradoxus）經常從橡（櫟）樹樹皮中被分離出來，導致有人認為橡樹可能是釀酒酵母在自然界中的首選生態位。這種觀點可能源自許多研究者的偏好性調查。因為S. paradoxus等野生酵母最初是從橡樹上被發現的，所以后來的研究者更多地采集橡樹樣品來分離野生釀酒酵母。
大規模野外調查結果表明，從采集的100份以上的針葉樹皮樣品中，均未分離到釀酒酵母和同屬的其他種，說明針葉樹并非其棲居環境。從36種闊葉樹樹皮樣本中分離到了釀酒酵母，且從闊葉樹皮上分離到釀酒酵母的成功率遠高于水果、土壤和腐木樣品。在總共392個橡樹等櫟屬（Quercus）植物樹皮樣本中，51個（13.0%）含有釀酒酵母。，采集的殼斗科（Fagaceae）其他屬樹皮樣本，顯示了比櫟屬植物更高的釀酒酵母分離率，包括栗屬（Castanea） （18.5%）、錐栗屬（Castanopsis） （57.9%）和青岡屬（Cyclobalanopsis） （55.6%）。榆樹（Ulmus macrocarpa）樹皮樣本的釀酒酵母分離率（28.6%）也比櫟樹高得多。Barbosa等調查了釀酒酵母在巴西的野外分布，那里沒有原生橡樹或其他殼斗科樹種。從巴西常見的本地樹種圭亞那合作共和國漆樹Tapirira guianensis （漆樹科Anacardiaceae）樹皮中分離出釀酒酵母的成功率為13%，而其他樹皮樣本的分離率為4%。他們從外來的北美紅橡樹（Quercus rubra）的樹皮樣本中分離出釀酒酵母的成功率高達71% （但僅采集了7個樣本）。釀酒酵母在野外可能更偏好殼斗科植物以及其他一些闊葉樹樹皮、樹干分泌物和周圍土壤等生境，但尚需更全面的系統調查來進行核實。
實驗室
以前很少從野外分離到釀酒酵母也與分離方法有關。使用常用的稀釋鋪平板法可以很容易地將釀酒酵母從富含糖的發酵基物中分離出來，因這種酵母在高糖環境中常常被自然富集。但用常規方法卻很難將其從低糖含量或非發酵基物中分離出來。研究者發現使用含有乙醇的富集培養基可提高從葡萄果實上分離出釀酒酵母的幾率。Sniegowski等用含7%–8%乙醇的富集培養基也從森林等非高糖基物中成功分離出釀酒酵母和其姊妹種。這一乙醇富集方法被后續研究者普遍采用，但不同研究者常對培養基中的碳、氮源以及乙醇和抗生素濃度等進行細微調整。
實驗室對釀酒酵母在自然界中的分布進行了系統調查，樣品采集的數量和多樣性、覆蓋環境的多樣性和氣候帶范圍都超過了以往的調查。成功地從水果、樹皮、土壤和腐木樣品中分離出大量釀酒酵母菌株，這些樣品來自熱帶至溫帶的果園和人工林、次生林和原始森林。我們實驗室的工作清楚地表明釀酒酵母廣泛存在于自然界各種不同的生態環境中，并首次證明該種廣布于人跡罕至的原始森林中。
生長習性
釀酒酵母喜在糖分高、偏酸性的環境中生長。釀酒酵母在25～35℃下生長良好，大多可在37～40℃下生長。可強力發酵葡萄糖，一般可發酵半乳糖、蔗糖、麥芽糖和棉子糖（棉子糖），但不能發酵乳糖。
酵母是兼性厭氧微生物，在有氧呼吸或無氧發酵條件下都能生長。釀酒酵母在無氧和有氧條件下，均可以通過糖酵解途徑代謝糖類化合物，在獲取能量的同時釋放CO?和乙醇。乙醇可抑制其他微生物的生長，當糖類物質被耗盡后，酵母細胞可利用積累的乙醇繼續生長，從而實現原始的“生產—積累—消費”模式的生活策略，并獲得對其他微生物的競爭優勢。釀酒酵母正是因其具有將糖類快速降解為CO?和乙醇的能力而被人類用于生產各種發酵食品和飲料。考古學發現釀酒酵母被人類利用的歷史已有近萬年，因此被稱為“第一種家養微生物”。
交配繁殖
釀酒酵母具有無性和有性2種繁殖方式，并具有一個獨特的生命周期。釀酒酵母通常以二倍體形式生長，最適生長溫度通常為30 ℃左右，并通過多邊出芽方式進行無性繁殖，故又被稱為芽殖酵母（真菌絲 酵母浸膏）。在營養耗盡，特別是氮饑餓狀態下進入有性生殖階段，二倍體營養細胞可轉化為子囊，通過減數分裂在每一子囊中形成4個單倍體子囊孢子，即所謂四分體（tetrad）。其中2個孢子具有交配型a （MATa），另外2個具有交配型α （MATα）。一對具有相反交配型的孢子可以在萌發時在子囊內交配（四分體內交配），形成二倍體細胞。子囊孢子還可以萌發形成單倍體細胞，單倍體細胞可以通過有絲分裂和出芽進行無性繁殖，從而形成MATa和MATα單倍體克隆。然而，單倍體階段在釀酒酵母的生命周期中通常只存在短暫的時間。一個單倍體細胞可以與具有相反交配類型的另一個單倍體細胞交配形成二倍體細胞，交配的單倍體細胞或來自同一菌株的不同子囊（自交），或來自不同菌株的子囊（異交）。
單倍體細胞也可以通過一種被稱為交配型轉換（mating-type switch）的機制，改變其MAT基因座上的交配型。釀酒酵母的交配型轉換以一種精確調控的模式發生，在任何一個細胞分裂周期中，只允許一個菌落中的一半細胞轉換交配型，并在鄰近產生具有相反交配型的細胞，從而促進單倍體細胞交配形成二倍體細胞。這個過程被稱為單倍體自交（haplo-selfing）或自動二倍體化（autodiploidization） 。
釀酒酵母不同的交配行為產生不同的遺傳和進化后果。不同菌株的單倍體交配，即異交，形成雜合二倍體細胞；而單倍體自交形成除交配型基因座外的完全純合二倍體細胞。據估計，釀酒酵母的異交率非常低，每個細胞分裂周期發生異交的幾率為2×10─5至9×10─5。然而，昆蟲如果蠅和黃蜂等傳播媒介可能會促進異交[37-39]。已發現釀酒酵母的野生菌株絕大多數具有高度純合的基因組，意味著在自然界中單倍體自交的頻率很高。已有人提出了“基因組更新”（genome renewal）假說來解釋單倍體自交的群體遺傳學效應。該假說推測單倍體自交可使有害的隱性等位基因純合化并直接暴露于純化選擇之下，從而促進有害等位基因的清除和有益等位基因的固化。
基因編列
釀酒酵母是合成生物學研究開發中最常用的真核底盤細胞，是第一個完成全基因組測序的真核微生物，其遺傳操作簡便，基因表達調控機理清楚且高密度發酵技術成熟，特別是近年來一系列適用于釀酒酵母途徑組裝工具的開發，使得釀酒酵母成為合成生物學研究的理想底盤微生物。
基因組組成
釀酒酵母的基因組測序始于20世紀80年代末期，它是人類基因組計劃前期項目的一個模式體系。1992年，釀酒酵母Ⅲ號染色體脫氧核糖核酸全序列發表，這是首次完成的細胞型生物完整染色體的測序工作。1996年，釀酒酵母的全部16條染色體的測序工作完成。1998年，釀酒酵母線粒體DNA全序列也得以解析。釀酒酵母基因組測序工作由來自歐洲、美國、加拿大和日本的600多位學者協作完成，是國際科研合作的一個成功典范。
釀酒酵母全基因組（含線粒體）的大小為12.16兆核苷酸堿基對（Mbp），預測共有6445個基因，其中蛋白編碼基因為6002個（見表），平均2千堿基對（kbp）長的序列含有一個開放閱讀框，這一數值明顯低于其他真核生物，說明該基因組結構較為緊湊。盡管如此，釀酒酵母基因組沒有明顯的操縱子結構。釀酒酵母的染色體均具有復制起始區、著絲粒和端粒等基本功能性結構，多數染色體由富含GC和AT的脫氧核糖核酸大片段鑲嵌構成。
釀酒酵母染色體臂中部一般富含GC且基因密度較高，該區域也是遺傳重組發生率相對較高的區域；著絲粒和端粒區域富含AT且重組頻率相對較低。另外，4個較小的染色體（Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅸ）的重組頻率高于整個基因組的重組頻率。與其他染色體相比，最小的Ⅰ號染色體的結構十分獨特，位于其兩端約1/4的區域內基因密度非常低，該區域可能作為“填充物”來增加該染色體的大小和穩定性。釀酒酵母基因組的一個顯著特點是具有高度重復序列，其中有很多重復序列彼此間有較高同源性，這種現象稱為遺傳冗余（geneticredundancy），包括單個基因重復、成簇同源區（clusterhomologyregion;CHR）及染色體末端重復。該菌具有近300個轉運RNA（tRNA）的基因，分散在16條染色體及線粒體脫氧核糖核酸上，而核糖體RNA（rRNA）的基因則集中在XⅡ號染色體和線粒體DNA中；釀酒酵母具有大量不同類型的CHR，而且同一種CHR分布在2個以上的染色體上，CHR內的同源基因的排列順序和轉錄方向相同；位于染色體末端的端粒由高度重復序列組成，是遺傳冗余的主要區域。在釀酒酵母基因組中，僅有約4%的蛋白編碼基因含有內含子，主要是核糖體蛋白的編碼基因，而且這些基因通常只有一個小型內含子。
在釀酒酵母染色體所編碼的蛋白中，約有14%和代謝與能量轉換及儲存相關；16%與脫氧核糖核酸復制、修復、重組、轉錄和翻譯相關；超過400種蛋白參與胞內運輸和蛋白定位；轉運蛋白約有250個；已鑒定的轉錄因子至少有200個。釀酒酵母線粒體基因組為環形DNA，其編碼的蛋白包括參與能量代謝的細胞色素c和ATP合成酶的亞基等。
基因組情況
作為模式生物，釀酒酵母全基因組的解析不僅使人們對真核生物的生命特征有了更為全面和深入的認識，也為人工合成真核生物奠定了基礎。由美國科學家J.D.伯克[注]發起的Sc2.0計劃（釀酒酵母基因組合成計劃）是一個標志性國際合作項目，由美國、中國、英國、法國、澳大利亞和新加坡等多國研究機構分工協作進行。該項目以合成釀酒酵母全部16條染色體為目標，已取得重大進展。2014年，美國和法國學者成功合成了釀酒酵母Ⅲ號染色體（SynⅢ），這是人類首次完成的真核生物染色體的人工合成工作；2017年3月，又有5條釀酒酵母染色體（SynⅡ、SynⅤ、SynⅥ、SynⅩ和SynⅫ）的人工合成工作得以完成。SynⅡ、SynⅤ、SynⅩ和SynⅫ的合成工作以中國科學家為主完成，是中國在合成生物學乃至生命科學領域取得的突破性成果。
應用領域
概述
釀酒酵母菌含豐富的蛋白質、維生素、礦物質、多糖和許多生物活性物質，有許多完整的酶系，并含有2.5%～10%的核糖核酸（核糖 nucleic acid，RNA）。這些營養功能成分對機體的免疫、抗腫瘤、抗氧化和消化功能等有重要作用，是維持機體健康的重要成分。這些功能物質對人體、動物的作用及機制一直在不斷地研究并對其開發應用。
釀酒酵母細胞壁含有豐富的β-1,3-葡聚糖和甘露寡糖（mannan oligosaccharide，MOS），其含量可達到細胞壁干質量的95%左右，兩者在促進機體生長、提高免疫、增強非特異性免疫等諸多方面發揮重要的作用。β-葡聚糖是通過β-1,3/1,6糖苷的方式結合形成的一種結構多糖，位于酵母細胞壁的內層，占細胞壁干質量的30%～60%。β-葡聚糖在食品工業得到廣泛應用，并具有刺激免疫、降低血膽固醇、抗腫瘤和預防炭疽熱等顯著醫學功效；此外，β-葡聚糖在增強溶菌酶活性、補體活性和殺菌活性方面均具有顯著的作用。口服β-1，3-D-葡聚糖可促進釋放生物活性的細胞因子，從而產生骨髓免疫活性和增強荷瘤小鼠的抵抗力。在β-葡聚糖功能作用的基礎上，對其組分性狀進行改良和對其進行降解，可改善物化性質和生物活性，增強及拓深β-葡聚糖的應用范圍。白楠等[7]的研究結果表明，一定濃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強的免疫促進作用。采用非專一性α淀粉酶降解可得到水溶性β-1,3-寡聚糖，使其更易被生產應用。
MOS主要由釀酒酵母細胞壁中的甘露聚糖酶解而來，是由幾個甘露糖分子或甘露糖與葡聚糖通過α-1,2或β-1,3和α-l,6糖苷鍵組成的寡聚糖，位于細胞壁的外層；在MOS研究中，華朱鳴[9]在高脂糧中添加0.5%的MOS能顯著降低小鼠血漿和消化道系統組織的自由基水平，提高總抗氧化能力。一般認為MOS具有阻止腸道病原菌定植、促進生長、抗氧化、刺激免疫系統和增強非特異性免疫的功能。釀酒酵母作為EM菌的一種，對機體功能性調控的作用顯著。活性多糖、核苷酸具有免疫和非特異性免疫功能，寡肽-1可促進氨基酸吸收和蛋白質利用，一般單胃動物以氨基酸形式吸收利用蛋白質，而反芻亞目以小肽形式吸收利用蛋白質。維生素在機體生長發育、代謝過程中發揮重要的調節作用，SOD具有強的抗氧化作用等。
釀酒酵母菌株功能基于釀酒酵母菌株特性，釀酒酵母活菌、非活性成分及細胞組成成分已廣泛應用于飼料工業和畜牧養殖業，其功能主要體現在兩大方面：（1）活菌可以作為EM菌或發酵菌劑使用；（2）釀酒酵母非活性形式和細胞組分，可以作為酵母有機微量元素、功能性蛋白原料、免疫增強劑、霉菌毒素吸附劑、抑菌促生長劑使用。釀酒酵母廣泛用于生物醫藥、食品、輕工業和生物能源等領域，生產重組蛋白、天然活性物質、有機酸和燃料乙醇等產品。
釀酒工業
釀酒酵母是所有酒類發酵生產的主體微生物，釀酒酵母厭氧發酵生成的乙醇（酒精）是所有酒的最基本成分。面包、饅頭等面食的生產也離不開釀酒酵母（面包酵母），這些面食產品的蓬松質感得益于面包酵母代謝活動產生的二氧化碳。此外，釀酒酵母菌體維生素、蛋白質含量高，可作食用、藥用和飼料酵母，還可以從其中提取細胞色素C、核酸、谷胱甘肽、B族維生素、輔酶Q10??和三磷酸腺苷等多種功能成分。
天然釀酒酵母菌株的應用不僅局限在發酵食品和啤酒、葡萄酒等乙醇類產品的發酵，還報道了一些新的用途和特性。例如，日本學者從沖繩縣的木芙蓉中分離出的釀酒酵母新菌株具有良好的水果風味，經過誘變選育后，明顯提高了菌株產生異戊醇和乙酸異戊酯的含量，即在酒精飲料的釀造過程中可以提高風味物質的產生。釀酒酵母已知不能積累油脂，但是研究發現釀酒酵母D5A工業菌株在氮限制條件下可積累油脂，轉錄組分析表明，該菌株胞質乙酰輔酶A和NADPH以及氮吸收與油脂積累有關。筆者課題組研究發現釀酒酵母YB-2625菌株具有比其他菌株更好的木糖利用性能，因此作為良好宿主，經過代謝工程改造后用于利用木糖生產燃料乙醇或化學品。
研究者利用合成生物學技術對釀酒酵母進行改造合成天然產物，這些天然產物往往在植物中的積累量非常少，或者合成途徑復雜，不容易調控，或者受到外界條件的限制較多因此產量不穩定，因此，利用合成生物學手段構建釀酒酵母細胞工廠，有利于實現穩定可持續的生產和調控合成。例如對酵母進行菌株改造生產阿片類藥物，以及合成生物學改造生產大麻素等。此外，我國學者利用釀酒酵母生產燈盞乙素，由于燈盞乙素在治療缺血性腦血管疾病腦栓塞和腦出血等疾病中有較好的效果，該工作將為工業化生產燈盞乙素相關藥物提供新的途徑。在最近的研究中，我國浙江大學研究者利用釀酒酵母生產天然維生素E類化合物α-生育三烯酚獲得了成功，解決了該類化合物生產困難的問題，實現了可持續生產，在利用釀酒酵母生產天然高附加值產物研究中又取得了重要的進展[。
食品工業
釀酒酵母中的相關營養功能物質作為營養或功能成分對人體健康有重要作用。β-葡聚糖作為活性多糖，可作為增稠劑、粗食纖維、脂肪替代品應用于食品改良和加工中，也可作為功能性成分應用到功能性食品開發中，INGLETT G E[40]從燕麥面粉和小麥麩中提取出一種由β-葡聚糖和淀粉糊精組成的，具有降低血清膽固醇的脂肪替代品。將一定量的β-葡聚糖添加到豬肉糜中可使其感官質量較好，多汁且富有彈性，具有良好風味。可溶性β-葡聚糖在不斷研究以期更好地在食品行業廣泛應用。GSH現已廣泛應用于食品加工各領域，可作為風味物質、保鮮劑、抗氧化劑、營養強化劑、保健品等。谷胱甘肽可有效降低面團的強度，較大范圍地控制面團的黏度，有效地縮短面制品的干燥時間。研究表明GSH可顯著提高啤酒抗風味老化能力。
醫學研究
（1）釀酒酵母作為模式生物在外源基因功能鑒定中的應用。釀酒酵母基因組小，生命周期短，繁殖快速，再加上實驗操作上更簡易，具有簡便的平板影印能力，非常適合遺傳學上的分析研究。同時，釀酒酵母具有穩定的單倍體和二倍體細胞，在實驗條件下，釀酒酵母的二倍體和單倍體這兩種狀態可以相互轉換。在眾多的模式生物中，這是釀酒酵母較為突出的優點，這在基因功能鑒定上的應用尤為重要。目前，釀酒酵母基因轉化與性狀互補已經被廣泛地應用到確定新外源基因的功能中。理論上，與任何一種遺傳學特征相對應的不同生物的結構基因都可以通過質粒文庫的互補作用，而在釀酒酵母缺失突變體中得到鑒定。研究表明，利用整合型質粒（Yip 型），可以精確地對釀酒酵母基因組中的任意基因進行置換，并可以通過孢子繁殖中的四分體分析技術，有效地進行相關基因功能的觀測和研究。另外，也可以將外源基因克隆于釀酒酵母表達載體上，轉化野生型或突變型酵母菌株，通過觀察酵母的表型變化來推測該基因的生物學功能。例如，科學家將玉蜀黍屬中可能編碼脂肪酸脫氫酶的基因fad2導入野生型的酵母細胞中，利用基因表達技術，發現帶有玉米基因的野生型酵母中出現了相應的不飽和脂肪酸，證明該基因具有編碼脂肪酸脫氫酶的功能。
（2）釀酒酵母作為模式生物在人類基因功能研究中的應用。釀酒酵母作為單細胞真核生物，具有和動植物細胞相似的結構特征，包括細胞核、內質網、高爾基體、線粒體、過氧化物酶體、細胞骨架等，而且其細胞和動植物細胞的生長發育所產生的細胞過程也有很高的相似性，很多基因在酵母和動植物細胞中是高度保守的，也就是說某些較為復雜的生命活動可以在釀酒酵母中找到，例如釀酒酵母在減數分裂、細胞周期調控以及 脫氧核糖核酸 的修復這些方面的控制基因與人類的基因具有高度同源性。作為模式生物，釀酒酵母在人類基因功能研究上做出了很大的貢獻，若一個未知功能的人類基因通過功能互補實驗能夠補償釀酒酵母當中某一個已知功能的突變基因，那么，這個未知功能的人類基因與已知功能的釀酒酵母突變基因之間就具有相似的功能。例如，人類有3個基因與半乳糖血癥有關，它們分別是GALT（UDP - 半乳糖基轉移酶）、GALK2（半乳糖激酶）以及GALE（UDP - 半乳糖異構酶），相對應地，它們分別能補償釀酒酵母中相應的GAL7、GAL1、GAL10這3個基因的突變。利用釀酒酵母這種模式生物與人類基因之間的功能互補實驗，越來越多兩者相關基因在遺傳學水平上被驗證。已經發現 71 對釀酒酵母與人類的互補基因，其中20個基因與基礎代謝有關，16個與基因表達有關，1個與蛋白質運輸有關，7個與 脫氧核糖核酸 的合成修復有關，7個與信號轉導相關，17個與細胞周期有關。
研究發現，在人類的遺傳疾病中能夠檢測到接近50 的蛋白質和釀酒酵母蛋白質在氨基酸序列上具有一定的相似性，研究釀酒酵母中這些基因編碼的蛋白質的生理功能以及它們與其他蛋白質之間的相互作用將有助于加深對這些人類遺傳疾病的了解。如心臟疾病、早期糖尿病和小腸癌等人類常見的疾病，均為多基因控制遺傳性疾病，揭示涉及這些疾病的所有相關基因是一個漫長的過程，釀酒酵母基因與人類多基因遺傳病相關基因之間的相似性為人類揭示發病機理及提高診斷和治療水平提供重要的幫助。
飼料工業
釀酒酵母屬于兼性厭氧菌，在進入動物胃腸道后，可以消耗胃腸道的氧氣，造成厭氧環境，從而促進有益菌群的繁殖，改善動物消化道微生態平衡。體外試驗研究表明，釀酒酵母還可以有效吸附腸道病原菌（鼠傷寒沙門氏菌）。布拉迪酵母是屬于酵母屬、釀酒酵母亞種的一種酵母，大部分釀酒酵母最適生長和代謝溫度為30℃，而布拉迪酵母菌株具有天然耐熱性，在37℃生長良好。目前布拉迪酵母已作為一種非毒性酵母菌，在歐洲、南美、非洲等地區廣泛應用于腹瀉治療。研究表明，布拉迪酵母菌株耐酸性能良好，pH2條件下1h存活率達75%。布拉迪酵母可以分泌多胺物質（腐胺、精胺和亞精胺），促進動物腸道成熟，增強腸細胞對營養物質的吸收能力。在妊娠和泌乳日糧中添加布拉迪酵母，降低了母豬后腸微生物菌群大腸桿菌和產氣莢膜桿菌總數。
釀酒酵母可以作為發酵菌劑使用，或與其他EM菌配伍，用于飼用原料的發酵處理，提升原料價值。如利用釀酒酵母固態發酵白酒糟生產蛋白飼料；利用釀酒酵母菌和植物乳桿菌混合發酵玉米加工副產物；通過釀酒酵母對玉米漿中亞硫酸鹽進行無機硫的轉化，降低其亞硫酸鹽含量。采用釀酒酵母（4%）和米曲霉（0.5%）復合菌種發酵豆粕，發酵豆粕中的粗蛋白質和酸溶蛋白分別提高21.27%、695.97%。
釀酒酵母通過對金屬元素的細胞外富集、細胞表面吸附或絡合、細胞內富集和轉化，可以將金屬無機化合物形式轉化為有機形式，已實現酵母鉻、酵母硒、酵母鐵、酵母錳、酵母銅的開發。作為有機微量元素，目前在畜牧養殖中應用最為廣泛的是酵母硒。研究表明，與亞硒酸鈉相比酵母硒能提高奶牛對養分的消化率以及受胎率，增強機體抗氧化能力，改善泌乳性能。與亞硒酸鈉相比，在母豬飼料中添加酵母硒能顯著提高仔豬初生窩重和個體重、斷奶窩重和個體重，提高母豬乳汁、仔豬血液、腎臟、肝臟和肌肉中硒的存留量）。攝食含酵母硒的飼料，明顯降低了豬肉貯藏期間的硫代巴比妥酸值（TBARS）、肌肉的滴水損失。
畜牧養殖業
釀酒酵母富含蛋白質、核酸、維生素、多糖等營養物質，且可以通過菌株篩選方式獲得高營養成分的菌株，如高蛋白、高核酸酵母菌株的篩選）。將酵母細胞自溶、酶解，可以獲得酵母水解物。大量研究表明，酵母水解物作為一種功能性蛋白原料在飼料中使用，在誘食、促生長效果方面作用明顯，具有替代血漿蛋白粉、魚粉的潛力。
釀酒酵母的細胞壁呈三明治結構，內層為β-1，3/1，6-葡聚糖，形成細胞壁的剛性結構，中間層為蛋白質，與甘露聚糖共價結合形成配位化合物，外層為磷酸甘露聚糖，決定了酵母細胞壁的多孔性。釀酒酵母β-葡聚糖可以活化巨噬細胞、嗜中性粒細胞、自然殺傷細胞以及B、T淋巴細胞，增加細胞因子數量從而發揮免疫調節功能。釀酒酵母甘露聚糖具有一定的免疫原性，能夠刺激機體產生免疫應答。另一方面，酵母細胞壁的特殊空間結構可以通過氫鍵、離子鍵和疏水作用力等對霉菌毒素（如黃曲霉毒素和玉米赤霉烯酮）有效進行吸附。酵母細胞壁廣泛應用于飼用霉菌毒素吸附劑產品開發。其他研究也表明，通過釀酒酵母菌株篩選、制備及提取工藝的優化，可以獲得酵母葡聚糖及其衍生物，對金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸桿菌等均有抑制作用。
其他方面
釀酒酵母相關的營養功能成分在化妝美容、植物生長等方面也有應用。釀酒酵母可顯著提高黃瓜的生長。β-葡聚糖在化妝品中可具有抗衰老、祛皺、修復疤痕、抗敏消炎等多種功效；GSH也因其強的抗氧化作用廣泛應用于化妝美容行業。
相關研究
釀酒酵母轉錄因子Spt15堿基編輯掃描突變工程
釀酒酵母作為重要工業菌種，廣泛應用于傳統釀造和現代發酵，用來生產生物燃料、化學品和其他生物產品。但在實際工業發酵生產中會受到高滲、高溫和乙醇等脅迫的影響。因此，提高釀酒酵母的脅迫耐受性受到廣泛關注。近年來，基于CRISPR/Cas的基因組編輯技術為拓展釀酒酵母遺傳改造和性能提升提供了有力工具，包括基因敲除或整合、轉錄激活或失活。然而，這些工具大多用于產生插入和刪除，而不是核苷酸替換，并且通常需要外部供體脫氧核糖核酸。在高等生物中建立的胞嘧啶/腺嘌呤堿基編輯器能夠在基因組上引入原位突變，為蛋白質工程和細胞性能改造提供了新的定向進化策略。
中國科學院天津工業生物技術研究所研究員帶領的進化與代謝工程研究團隊利用堿基編輯技術來定點掃描突變改造全局轉錄因子Spt15，提高釀酒酵母的脅迫耐受性，并解析了Spt15點突變影響脅迫耐受性的機理。研究團隊在釀酒酵母中采用Targeted-AID胞嘧啶堿基編輯器，靶向全局轉錄調控基因 SPT15進行原位掃描核苷酸突變，從而在細胞中引入蛋白質點突變，共獲得36個脅迫耐受性存在差異的Spt15點突變菌株。其中，有18個突變株可以同時耐受高滲、高溫和乙醇脅迫，其發酵能力提高了1.5倍以上，這些脅迫耐受的點突變主要位于Spt15蛋白的N端和馬鞍形三級結構的凸面。對脅迫耐受性最高的3個點突變（A140G、P169A和R238K）和脅迫最敏感的2個點突變（S118L和L214V）進行比較轉錄組分析，揭示了這些點突變菌株在應對脅迫時所共同的和特有的全局轉錄重編程以及轉錄調控中心。根據蛋白質結構比對分析，這5種氨基酸的變化對核糖核酸聚合酶II轉錄機器中Spt15與脫氧核糖核酸以及其他蛋白質的相互作用產生了不同影響。結果表明，Target-AID堿基編輯器為釀酒酵母靶向原位掃描突變提供了有力工具，同時為酵母脅迫耐受性改進提供了更多潛在的Spt15靶點。
該研究獲得國家自然科學基金、天津市合成生物技術創新能力提升行動、中科院科研儀器設備研制項目以及天津市工業合成生物創新團隊的支持，相關研究成果發表在生物技術 for Biofuels上。
2022年7月消息華南理工大學生物科學與工程學院的李爽教授團隊在《Green Chemistry》雜志發表題為“Efficient utilization of carbon to produce aromatic valencene in Saccharomyces cerevisiae using 甘露醇 as substrate”的研究論文。該論文首次報道了以釀酒酵母為底盤細胞，非發酵碳源甘露醇為唯一碳源，構建高附加值倍半萜類香料——瓦倫西亞烯的高效細胞工廠，證明了海藻源碳源在釀酒酵母高產萜類化合物中的潛力。
該研究從理論代謝網絡基元計算出發，模擬出甘露醇高效生產瓦倫西亞烯的代謝靈活性，理論上證明了該路線的可行性。實驗研究進一步表明，相比葡萄糖碳源，以甘露醇為唯一發酵碳源，瓦倫西亞烯的產量和C/C轉化率分別提高3和5倍。基因組和轉錄水平分析揭示，甘露醇碳源為瓦倫西亞烯合成相關基因的轉錄表達提供了更有利保障。通過合成生物學代謝調控手段，進一步優化前體供應、底物攝取速率及輔因子再生等，在3L發酵罐實現瓦倫西亞烯產量5.6 g/L。
相比目前瓦倫西亞烯以西柚皮為原料提取的低得率，該研究獲得的釀酒酵母細胞工廠產量達到g/L范圍，將具有絕對的價格優勢，且不受農業耕地、季節等條件限制。該研究也為其他萜類化合物的高效微生物制造開辟了一條新的道路。
合成酵母
2011年，美國、中國、英國、新加坡、澳大利亞等國啟動“人工合成酵母基因組計劃（Sc2.0 Project）”，旨在重新設計并合成釀酒酵母的全部16條染色體，這是人類首次嘗試對真核生物的基因組進行從頭設計合成。
2023年11月8日，Sc2.0項目最新研究成果在Cell及其子刊發布，其中，Cell Genomics以封面和專輯形式發表了多篇研究成果。此次成果發布標志著世界首個真核生物全部染色體的從頭設計與合成正式完成，合成生物學領域的科學里程碑項目取得重大進展，為未來合成基因組學的研究奠定了重要參考。華大作為中國主要參與單位之一，在整體項目中聯合合作單位承擔了酵母2號、7號、13號染色體的從頭設計與全合成（300萬堿基），約占項目總合成量的四分之一。
改造釀酒酵母，合成玫瑰精油
2021年8月，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮帶領微生物代謝工程研究團隊，首先將釀酒酵母進行了系統改造，并在此基礎上通過玫瑰精油途徑的引入和優化，最終獲得的“玫瑰酵母”菌株，能使5升發酵罐中玫瑰精油產量達5克/升。相關研究成果發表在國際期刊《綠色化學》上，并申請了4項專利。
用合成生物學技術創建“人工細胞工廠”進行玫瑰精油等PVT類化合物的發酵生產，是頗具潛力的方式。張學禮團隊在釀酒酵母中篩選到代謝截流效果顯著優于經典動態調控啟動子ERG1的功能元件——ERG7啟動子。通過ERG7啟動子的應用，以及玫瑰醇生物合成模塊的表達和優化，最終獲得讓玫瑰醇產量達6克/升的工程菌。
在此基礎上，研究人員又將牻牛兒醇—玫瑰醇合成模塊、橙花醇合成模塊整合到同一底盤菌株中，創建了國際上首個同時生產天然玫瑰精油3種主要單萜組分的“玫瑰酵母”菌株。在搖瓶發酵中，該菌株單萜總產量達120毫克/升，而且與天然突厥薔薇芳香油中3種組分的比例接近。“玫瑰酵母”菌株在5升發酵罐中混合精油產量可達5克/升，預計綜合成本將節約90%。
科研團隊還將研發策略進行拓展，開發了高產單萜和倍半萜的平臺酵母，使目標產物產量得到大幅提升。該研究為實現玫瑰精油等植物揮發性萜類的高效異源生物合成奠定了基礎。
釀酒酵母類胡蘿卜素新工程改造靶點
2021年7月，廣東省科學院微生物研究所研究員朱紅惠團隊研究揭示釀酒酵母類胡蘿卜素合成中的適應性進化策略和最新代謝工程改造靶點。相關研究發表于《生物資源與生物加工》。
類胡蘿卜素是一大類自然界天然存在的有色物質，廣泛分布于植物、藻類、真菌和細菌中。目前，大部分研究集中在對已有文獻報道進行不斷優化，提出新改造靶點的并不多見。
研究人員基于已知釀酒酵母乙醇耐受性機理（與細胞膜有關）及類胡蘿卜素儲存于細胞膜的特性，推測在提高釀酒酵母乙醇耐受性過程中，細胞膜可能會產生變化，當細胞膜的改變與類胡蘿卜素儲存達到一個契合點時，就會促進類胡蘿卜素的合成。因此，他們在釀酒酵母細胞內構建了一套乙醇脅迫介導的實驗室適應性進化方法，并成功應用于類胡蘿卜素的生物合成，獲得了一株含量提高5.1倍的突變株M3。
“借助基因組和轉錄組學，我們成功鑒定出PFK1失活突變是變異菌株類胡蘿卜素合成能力提高的主要原因。”朱紅惠對《中國科學報》表示，該研究為篩選有益突變并揭示變異的分子機制提供了一個典型案例。
單染色體酵母的“誕生”
2018年8月2日在國際知名學術期刊《自然》在線發表。這一成果在中科院B類先導專項“細胞命運可塑性的分子機制與調控”以及國家中華人民共和國國家自然科學基金委員會和科技部等項目支持下，完全由中國科學家獨立完成，是合成生物學具有里程碑意義的重大突破。
2010年，美國科學家J. Craig Venter和他的科研團隊在《科學》雜志報道了世界上首個“人造生命”——含有全人工化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，引起了轟動。此次，以覃重軍研究組為主的研究團隊完成了將單細胞真核生物？釀酒酵母天然的十六條染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體。該項工作表明，天然復雜的生命體系可以通過人工干預變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。
生物學教科書中將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息，真核生物通常含有線型結構的多條染色體，而原核生物通常含有環型結構的一條染色體。覃重軍研究員大膽地假設真核生物也能像原核生物一樣，用一條線型染色體裝載所有遺傳物質并完成正常的細胞功能。在“大膽猜想”之后，他與薛小莉副研究員“工程化精準設計”了定制人造單染色體酵母的指導原則以及理性分析、實驗設計、工程化推進的總體方案。博士生邵洋洋從2013年開始嘗試并發展高效的染色體操作方法。歷經4年時間，通過15輪的染色體融合，最終成功創建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14。此后，覃重軍研究組進一步與合成生物學重點實驗室趙國屏院士研究組、中科院生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究員研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫學科學院趙志虎研究員等團隊合作，深入鑒定SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結構；發現雖然人工創建的單條線型染色體的三維結構發生了巨大變化，但SY14酵母具有正常的細胞功能，因此顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的傳統觀念，揭示了染色體三維結構與實現細胞生命功能的全新關系。
該研究成果是通過經典分子生物學“假設驅動”與合成生物學“工程化研究模式”來探索解析生命起源與進化中重大基礎科學問題的一個新范例。將天然復雜的酵母染色體通過人工改造以全新的簡約化形式表現出來，是繼原核生物細菌“人造生命”之后的一個重大突破。單染色體酵母的“誕生”，連同我國科學家參與的酵母染色體全人工合成工作，是繼上世紀六十年代人工合成結晶牛胰島素和轉運RNA之后，中國學者再一次利用合成科學策略，去回答生命科學領域一個重大的基礎問題，即建立原核生物與真核生物之間基因組進化的橋梁。這是合成生物學“建物致知”理念的生動體現，為人類對生命本質的研究，開辟了新方向。
釀酒酵母是研究染色體異常的重要模型，1/3基因與具有23對染色體的人類基因同源。端粒是線型染色體末端的保護結構。隨著細胞分裂次數的增加，端粒的長度逐漸縮短，當端粒變得不能再短時，細胞就會死亡。人類的早老癥與染色體的端粒長度直接相關。此外，端粒的縮短還與許多疾病相關，包括突變，腫瘤形成等。與天然酵母的32個端粒相比，覃重軍研究團隊人工創造的單條線型染色體僅有2個端粒，為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型。
參考資料 >
釀酒酵母.中國大百科全書.2025-10-13
走出中國：釀酒酵母的起源、馴養與演化.微生物學報.2025-10-13
物種詳細信息.sp2000.2025-10-15
釀酒酵母基因組.中國大百科全書.2025-10-13
酵母生物多樣性開發及工業應用.生物工程學報.2025-10-13
釀酒酵母堿基編輯掃描突變及脅迫耐受性改造研究獲進展.釀酒酵母堿基編輯掃描突變及脅迫耐受性改造研究獲進展.2022-02-26
我國科學家開發非發酵碳源用于高值香料瓦倫西亞烯的生物合成.中華人民共和國科學技術部.2022-07-06
華大參與里程碑項目重大進展！Cell及子刊發布“人工合成酵母基因組計劃”最新成果.華大參與里程碑項目重大進展！Cell及子刊發布“人工合成酵母基因組計劃”最新成果.2025-10-13
改造釀酒酵母，合成玫瑰精油.改造釀酒酵母，合成玫瑰精油.2022-02-26
揭示釀酒酵母類胡蘿卜素新工程改造靶點.今日頭條.2025-10-13
國際首例人造單染色體真核細胞創建成功.國際首例人造單染色體真核細胞創建成功.2025-10-13