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模式生物之酵母菌1/32酵母菌历史40前，古埃及人已经开始利用酵母酿酒与制作面包了；中国殷商时期(约35前)，古人利用酵母酿造白酒，而酵母馒头、饼等开始于汉朝时期。[1]1680年,荷兰科学家列文虎克(AntonvanLeeuwenhoek)首次利用显微镜观察到酵母,但当初并没有将其看成一个生物体对待.[2]1857年,法国科学家路易·巴斯德首次发觉酿造酒精来之酵母体发酵作用，而并非简单化学催化.[3][4]巴斯德曾经将空气通进酿酒液中,发觉酵母细胞量增加了,不过酒精生成量降低,以后人们将次现象称为“巴斯德效应”.[起源请求]酵母工业化生产与商业化依赖于干燥与压滤技术发展.1846年,欧洲实现酵母工业化生产.[1]美国酵母工业与商业化是伴随1876年费城百年博览会举行展开.中国酵母当代化生产开始于20世纪80年代中期。[1]2/32生物学定义酵母菌是一些单细胞真菌，并非系统演化分类单元。酵母菌是人类文明史中被应用得最早微生物。可在缺氧环境中生存。当前已知有1000各种酵母，依据酵母菌产生孢子（子囊孢子和担孢子）能力，可将酵母分成三类：形成孢子株系属于子囊菌和担子菌。不形成孢子但主要经过出芽生殖来繁殖称为不完全真菌，或者叫“假酵母”（类酵母）。当前已知大部分酵母被分类到子囊菌门。酵母菌在自然界分布广泛，主要生长在偏酸性潮湿含糖环境中，而在酿酒中，它也十分主要。而且猫吃了还会胀大，非常危险。3/32细胞形态与结构酵母细胞显著比大多数细菌大，细胞大小约为2~5×5~30μm(短轴×长轴).[5]酵母多数为单细胞生物,常呈卵圆形或者圆柱形。实际上，每种酵母确实含有自己特有形态模式，但会伴随菌龄与环境不停改变.普通平板培养基上酵母菌落呈白色粒状凸起，常带有酒香味.酵母属于真核微生物,除没有鞭毛外[6],普通都含有细胞壁、细胞膜、线粒体、核糖体、液泡等细胞器.细胞壁:厚度为0.1~0.3μm,不如细菌坚韧;主要成份为葡聚糖、甘露聚糖等.[5]酵母细胞壁呈"三明治"形:内层葡聚糖、外层甘露聚糖以及中间蛋白层.[7]有研究表明,葡聚糖是维持细胞壁内壁强度最主要物质.4/32细胞膜:细胞膜为磷脂双分子层,与其它生物一样都是双膜中间镶嵌着蛋白质.另外,酵母细胞膜中还含有甾醇,其中以麦角甾醇最为常见.[5]细胞核:酵母含有成形细胞核,不一样种酵母染色体数不一样,且细胞核形态会伴随细胞分裂周期而改变.细胞核是酵母菌遗传信息主要储存与转录场所,其DNA量占总细胞DNA绝大部分。另外还有两个"细胞器"含有DNA:线粒体与"2μm质粒".线粒体:线粒体为酵母细胞能量主要提供场所,酵母线粒体要比高等动物小,其大小为0.3~1μm×0.5~3μm.普通在厌氧或高糖(葡萄糖5%~10%)条件下,酵母菌线粒体前体发育较差,不含有氧化磷酸化能力.[5]核糖体:与真核生物一样,酵母菌核糖体为80S型.液泡:大多数酵母菌都含有液泡,其主要用于储备一些营养物质或者水解酶前体物,另外还有调剂渗透压作用.5/326/32营养与生长酵母菌广泛生活于潮湿且富含糖分物体表层,比假如皮表层,土壤,植物表面,植物分泌物（如仙人掌汁）,甚至空气中也有分布.另外,有研究发觉酵母还能寄生于人类身上与一些昆虫肠道内.[8]酵母菌属于化能异养微生物,能够直接吸收利用各种单糖分子,比如葡萄糖,果糖等.一些酵母菌还能代谢利用五碳糖[9],乙醇或者有机酸.一部分双糖,比如蔗糖,能在胞外酶作用下水解为单糖被吸收利用.[10]酵母菌不能直接利用淀粉等多糖类物质,所以,在啤酒酿制过程中,原料麦必须经过糖化才能被酿酒酵母深入发酵利用.[10]许多酵母营专性或兼性好氧生活方式，当前还未发觉专性厌氧酵母。在缺乏氧气时，发酵型酵母会进行缺氧呼吸作用,当中经过糖酵解作用将葡萄糖转化成丙酮酸,其后丙酮酸经脱碳作用脱去碳原子,形成乙醛,同时释出CO2,乙醛再被于糖酵解作用产生NADH2还原成乙醇并产生能量(ATP)。7/32在酿酒过程中，乙醇被保留下来；在烤面包或蒸馒头过程中，CO2将面团发起，而酒精则挥发。在有氧条件下,酵母将葡萄糖经有氧呼吸(糖酵解→三羧酸循环)代谢生成CO2和H2O。有氧条件下,酵母菌往往能够快速出芽繁殖.酵母菌最适生长温度各异,在自然PH或弱酸环境中生长生活力最高.毕赤酵母能在低PH(PH≈3)条件下生长.8/32酵母菌生殖方式酵母菌生殖方式分无性繁殖和有性繁殖两大类。无性繁殖包含：芽殖，裂殖，芽裂。有性繁殖方式：子囊孢子。出芽繁殖这是酵母菌进行无性繁殖主要方式。成熟酵母菌细胞，先长出一个小芽，芽细胞长到一定程度，脱离母细胞继续生长，而后形成新个体。有多边出芽、两端出芽、和三边出芽9/32分裂生殖少数种类酵母菌与细菌一样，借细胞横分裂而繁殖。芽裂母细胞总在一端出芽，并在芽基处形成隔膜，子细胞呈瓶状。这种方式极少。有性繁殖：在适当条件下接合子经减数分裂，双倍体核分裂为4~8个单倍体核，形成子囊孢子，包含在由酵母菌细胞壁演变来子囊中。子囊孢子又可萌发成单倍体营养细胞。酵母能够经过出芽进行无性生殖，也能够经过形成子囊孢子进行有性生殖。无性生殖即在环境条件适合时，从母细胞上长出一个芽，逐步长到成熟大小后与母体分离。10/32有性生殖在营养情况不好时，一些可进行有性生殖酵母会形成孢子（普通是四个），在条件适合时再萌发。一些酵母，如假丝酵母（或称念珠菌，Candida）不能进行有性繁殖。11/32特征及用途多数酵母能够分离于富含糖类环境中，比如一些水果（葡萄、苹果、桃等）或者植物分泌物（如仙人掌汁）。一些酵母在昆虫体内生活。酵母菌是单细胞真核微生物。酵母菌细胞形态通常有球形、卵圆形、腊肠形、椭圆形、柠檬形或藕节形等。比细菌单细胞个体要大得多，普通为1~5微米或5~20微米。酵母菌无鞭毛，不能游动。酵母菌含有经典真核细胞结构，有细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等，有还含有微体。酵母菌遗传物质组成：细胞核DNA，线粒体DNA，以及特殊质粒DNA。大多数酵母菌菌落特征与细菌相同，但比细菌菌落大而厚，菌落表面光滑、湿润、粘稠，轻易挑起，菌落质地均匀，正反面和边缘、中央部位颜色都很均一，菌落多为乳白色，少数为红色，个别为黑色。12/32在医药工业中，酵母及其制品用于治疗一些消化不良症，并能提升和调整人体新陈代谢机能。所以，药用酵母生产在酵母工业中占有主要地位。在畜牧业中，酵母广泛用作精饲料以增加饲料中蛋白质含量，对提升禽畜出肉率、产蛋率和产乳率，对肉质改良和毛皮质量提升都有显著效果。13/32基因组组成在酿酒酵母测序计划开始之前，人们经过传统遗传学方法已确定了酵母中编码RNA或蛋白质大约2600个基因。经过对酿酒酵母完整基因组测序，发觉在12068kb全基因组序列中有5885个编码专一性蛋白质开放阅读框。这意味着在酵母基因组中平均每隔2kb就存在一个编码蛋白质基因，即整个基因组有72%核苷酸次序由开放阅读框组成。这说明酵母基因比其它高等真核生物基因排列紧密。如在线虫基因组中，平均每隔6kb存在一个编码蛋白质基因；在人类基因组中，平均每隔30kb或更多碱基才能发觉一个编码蛋白质基因。酵母基因组紧密性是因为基因间隔区较短与基因中内含子稀少。酵母基因组开放阅读框平均长度为1450bp即483个密码子，最长是位于Ⅻ号染色体上一个功效未知开放阅读框（4910个密码子），还有极少数开放阅读框长度超出1500个密码子。在酵母基因组中，也有编码短蛋白基因，比如，编码由40个氨基酸组成细胞质膜蛋白脂质PMP1基因。另外，酵母基因组中还包含：约140个编码RNA基因，排列在Ⅻ号染色体长末端；40个编码SnRNA基因，散布于16条染色体；属于43个家族275个tRNA基因也广泛分布于基因组中14/32染色体简况染色体编号长度（bp)基因数tRNA基因数I23×103894Ⅱ80718841013Ⅲ315×10318210Ⅳ153197479627V56920227113Ⅵ270×10312910Ⅶ109093657233Ⅷ561×10326911Ⅸ43988622110X74544237924Ⅺ66644833116Ⅻ107817153422ⅫI92443045921ⅪV78432841915XV109228356020XⅥ9480614871715/32序列测定揭示了酵母基因组中大范围碱基组成改变。多数酵母染色体由不一样程度、大范围GC丰富DNA序列和GC缺乏DNA序列镶嵌组成。这种GC含量改变与染色体结构、基因密度以及重组频率相关。GC含量高区域普通位于染色体臂中部，这些区域基因密度较高；GC含量低区域普通靠近端粒和着丝粒，这些区域内基因数目较为贫乏。Simchen等证实，酵母遗传重组即双链断裂相对发生率与染色体GC丰富区相耦合，而且不一样染色体重组频率有所差异，较小Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅸ号染色体重组频率比整个基因组平均重组频率高。16/32酵母基因组另一个显著特征是含有许多DNA重复序列，其中一部分为完全相同DNA序列，如rDNA与CUP1基因、Ty因子及其衍生单一LTR序列等。在基因间隔区包含大量三核苷酸重复，引发了人们高度重视。因为一部分人类遗传疾病是由三核苷酸重复数目标改变所引发。还有更多DNA序列彼此间含有较高同源性，这些DNA序列被称为遗传丰余（geneticredundancy）。酵母多条染色体末端含有长度超出几十个kb高度同源区，它们是遗传丰余主要区域，这些区域至今依然在发生着频繁DNA重组过程。遗传丰余另一个形式是单个基因重复，其中以分散类型最为经典，另外还有一个较为少见类型是成簇分布基因家族17/32成簇同源区（clusterhomologyregion，简称CHR）是酵母基因组测序揭示一些位于多条染色体同源大片段，各片段含有相互对应多个同源基因，它们排列次序与转录方向十分保守，同时还可能存在小片段插入或缺失。这些特征表明，成簇同源区是介于染色体大片段重复与完全分化之间中间产物，所以是研究基因组进化良好材料，被称为基因重复化石。染色体末端重复、单个基因重复与成簇同源区组成了酵母基因组遗传丰余大致结构。研究表明，遗传丰余中一组基因往往含有相同或相同生理功效，因而它们中单个或少数几个基因突变并不能表现出能够区分表型，这对酵母基因功效研究是很不利。所以许多酵母遗传学家认为，搞清遗传丰余真正本质和功效意义，以及发展与此相关试验方法，是揭示酵母基因组全部基因功效主要困难和中心问题。18/32作为模式生物作用酵母作为高等真核生物尤其是人类基因组研究模式生物，其最直接作用表达在生物信息学领域。当人们发觉了一个功效未知人类新基因时，能够快速地到任何一个酵母基因组数据库中检索与之同源功效已知酵母基因，并取得其功效方面相关信息，从而加紧对该人类基因功效研究。研究发觉，有许多包括遗传性疾病基因均与酵母基因含有很高同源性，研究这些基因编码蛋白质生理功效以及它们与其它蛋白质之间相互作用将有利于加深对这些遗传性疾病了解。另外，人类许多主要疾病，如早期糖尿病、小肠癌和心脏疾病，均是多基因遗传性疾病，揭示包括这些疾病全部相关基因是一个困难而漫长过程，酵母基因与人类多基因遗传性疾病相关基因之间相同性将为我们提升诊疗和治疗水平提供主要帮助。19/32酵母作为模式生物最好例子表达在那些经过连锁分析、定位克隆然后测序验证而取得人类遗传性疾病相关基因研究中，后者核苷酸序列与酵母基因同源性为其功效研究提供了极好线索。比如，人类遗传性非息肉性小肠癌相关基因与酵母MLH1、MSH2基因，运动失调性毛细血管扩张症相关基因与酵母TEL1基因，布卢姆氏综合征相关基因与酵母SGS1基因，都有很高同源性（见表2）。遗传性非息肉性小肠癌基因在肿瘤细胞中表现出核苷酸短重复次序不稳定细胞表型，而在该人类基因被克隆以前，研究工作者在酵母中分离到含有相同表型基因突变（msh2和mlh1突变）。受这个结果启发，人们推测小肠癌基因是MSH2和MLH1同源基因，而它们在核苷酸序列上同源性则深入证实了这一推测。布卢姆氏综合征是一个临床表现为性早熟遗传性疾病，病人细胞在体外培养时表现出生命周期缩短表型，而其相关基因则与酵母中编码蜗牛酶SGS1基因含有很高同源性。与来自布卢姆氏综合征个体培养细胞相同，SGS1基因突变酵母细胞表现出显著缩短生命周期。Francoise等研究了170多个经过功效克隆得到人类基因，发觉它们中有42%与酵母基因含有显著同源性，这些人类基因编码产物大部分与信号转导路径、膜运输或者DNA合成与修复相关，而那些与酵母基因没有显著同源性人类基因主要编码一些膜受体、血液或免疫系统组分，或人类特殊代谢路径中一些主要酶和蛋白质。20/32酵母作为模式生物作用不但是在生物信息学方面作用，酵母也为高等真核生物提供了一个能够检测试验系统。比如，可利用异源基因与酵母基因功效互补以确证基因功效。据Bassett不完全统计，到1996年7月15日，最少已发觉了71对人类与酵母互补基因。六个类型1、20个基因与生物代谢包含生物大分子合成、呼吸链能量代谢以及药品代谢等相关2、16个基因与基因表示调控相关，包含转录、转录后加工、翻译、翻译后加工和蛋白质运输等3、1个基因是编码膜运输蛋白4、7个基因与DNA合成、修复相关5、7个基因与信号转导相关6、17个基因与细胞周期相关。现在，人们发觉有越来越多人类基因能够赔偿酵母突变基因，因而人类与酵母互补基因数量已远远超出过去统计。21/32在发酵工程中应用单细胞真核生物酵母菌含有比较完备基因表示调控机制和对表示产物加工修饰能力。酿酒酵母（Saccharomyces.Cerevisiae）在分子遗传学方面被人们认识最早，也是最先作为外源基因表示酵母宿主。1981年酿酒酵母表示了第一个外源基因----干扰素基因，随即又有一系列外源基因在该系统得到表示干扰素和胰岛素即使已经利用酿酒酵母大量生产并被广泛应用，当利用酿酒酵母制备时，试验室结果很令人鼓舞，但由试验室扩展到工业规模时，其产量快速下降。原因是培养基中维特质粒高拷贝数选择压力消失质粒变得不稳定，拷贝数下降。拷贝数是高效表示必备原因，所以拷贝数下降，也直接造成外源基因表示量下降。同时，试验室用培养基成份复杂且昂贵，当采取工业规模能够接收培养基时，造成了产量下降。为克服酿酒酵母局限，1983年美国Wegner等人最先发展了以甲基营养型酵母（methylotrophicyeast）为代表第二代酵母表示系统。甲基营养型酵母包含：Pichia、Candida等．以Pichia.pastoris（毕赤巴斯德酵母）为宿主外源基因表示系统近年来发展最为快速，应用也最为广泛。毕赤酵母系统广泛应用，原因在于该系统除了含有普通酵母所含有特点外。22/32发酵后酵母还是一个很强抗氧化物，能够保护肝脏，有一定解毒作用。酵母里硒、铬等矿物质能抗衰老、抗肿瘤、预防动脉硬化，并提升人体免疫力。发酵后，面粉里一个影响钙、镁、铁等元素吸收植酸可被分解，从而提升人体对这些营养物质吸收和利用在烘烤食品中作用使制品疏松。酵母保护肝脏改进风味作用增加营养价值：因为酵母主要成份是蛋白质，几乎占了酵母干物质二分之一含量，而且人体必需氨基酸含量充分，尤其是谷物中较缺乏赖氨酸含量较多。另首先，含有大量维生素B1,维生素B2及尼克酸。所以，酵母能提升发酵食品营养价值。23/3224/3225/3226/3227/3228/32参考文件1.^1.01.11.2Whatareyeasts?酵母历史Historyofyeasts[-08-17].2.^HuxleyA.Discourses:Biological&Geological(volumeVIII):Yeast.CollectedEssays[-11-28].3.^PhillipsT.PlanetsinaBottle:Moreaboutyeast.Science@NASA[-11-28].4.^BarnettJA.Beginningsofmicrobiologyandbiochemistry:thecontributionofyeastresearch.Microbiology(Reading,Engl.).,149(Pt3):557–67[-11-28].PMID12634325.5.^5.05.15.25.35.4岑沛霖,蔡谨.工业微生物.北京,中国:化学工业出版社..6:72.ISBN7-5025-2643-9.6.^Prescott,Harley,Klein.Microbiology.Hammond,IN,U.S.A.:McGraw-HillHigherEducation.-10-25:554.ISBN0-07-282905-2.7.^周德庆.微生物学教程.北京.中国:高等教育出版社..5:47-50.ISBN978-7-04-011116-3.8.^SuhSO,McH.JV.,PollockDD.,BlackwellM..Thebeetlegut:ahyperdiversesourceofnovelyeasts.MycolRes..,109(Pt3):261-265[-10-19].PMID2943959.9.^BarnettJA..TheentryofD-riboseintosomeyeastsofthegenusPichia.JournalofGeneralMicrobiology.1975,90(1):1–12.PMID1176959.10.^10.010.1Yeast.Howstuffworks[-10-19]."Otheryeastenzymescanmakesimplesugarsoutofdisaccharides(doublesugars),whicharefoundincertainorganisms."11.^EasySelectPichiaExpressionKit(Manualbook).Invitrogen[-10-19].12.^曹文平,武晓刚,郭.,etc..酵母菌在废水处理中应用现实状况和进展.中国生物工程杂志.,27(11):99-104[-08-25].29/32JimDeacon,InstituteofCellandMolecularBiology,TheUniversityofEdinburgh.TheMicrobialWorld:Yeastsandyeast-likefungiSaccharomyces,CryptococcusandCandidaalbicans[-9-23]（英文）.20.^JimDeacon,InstituteofCellandMolecularBiology,TheUniversityofEdinburgh.TheMicrobialWorld:Yeastsandyeast-likefungiSaccharomyces,CryptococcusandCandidaalbicans