由于细胞代谢和调控网络的复杂性，尤其是对于多基因调控的复杂性状和遗传工具有限的生物系统而言，基因组进化在微生物细胞工厂的构建中起着至关重要的作用。基因组进化通过人为创造多样化性状以及功能筛选的迭代循环，在实验室中模拟且加速自然进化的过程，从而快速获得满足目标需求的进化突变体。酿酒酵母是代谢工程中重要的底盘细胞，全基因组进化是对其进行系统性改造的最有效合成生物学手段之一。本文总结了基因组进化在构建高效的酿酒酵母细胞工厂中的技术进展和应用，包括基因组改组、转座子插入诱变和全局转录机制工程（gTME）等基于随机突变的非理性基因组进化以及诸如酵母寡核苷酸介导的基因组工程（YOGE），真核基因组多重位点自动改造技术（eMAGE）、RNAi辅助的基因组进化方法（RAGE）以及基于CRISPR体系的基因组规模改造技术（CHAnGE、MAGIC和MAGESTIC）等可示踪的半理性基因组进化，并简要介绍了基因组进化面临的挑战和高通量筛选方法的发展前景。凌立如
由于对能源安全、可持续性发展和全球变暖的日益担忧，利用微生物细胞工厂将可再生资源转化为燃料和化学品是目前国内外研究的一大热点。通过自下而上或自上而下的工程策略，深入了解生物网络对于构建有实际应用价值的“微生物细胞工厂”至关重要。此外，系统生物学和合成生物学的最新进展使人们对生物系统有了更深的理解，能够做出更具预测性的工程设计。然而，由于生物系统的复杂性，诸如胁迫耐受性等受到多基因调控的复杂表型，单基因理性改造方法很难实现预定的目标。为了克服这一主要限制，越来越多的研究人员将目标转向一种强大的多功能工具——基因组进化，以构建满足工业生产需求的微生物细胞工厂。短暂的美丽
酿酒酵母是第一个被完全测序的真核细胞，其分子生物学和细胞生物学研究最为透彻。与原核生物不同，酿酒酵母含多种细胞器，能够为生物合成提供不同的环境。此外，酿酒酵母是公认安全的模式生物，遗传操作简单，并且对恶劣的工业条件表现出很高的耐受性，适合大规模生产，因此在生物技术领域得到了广泛应用。
壹周立波秀2011定向进化已经在蛋白、途径和基因组水平上取得了里程碑式的进展。本文作者将重点介绍基于酿酒酵母基因组水平定向进化的重要技术进展及其在构建高效酵母细胞工厂方面的应用，并简要介绍酿酒酵母基因组进化面临的挑战和发展趋势。
1 酿酒酵母基因组进化的技术策略
先天性肿瘤
基因组进化起源于选择性育种和驯化，如今已发展成为一种强大的多功能工具，可用于与各种工业过程相关的蛋白质和全细胞生物催化剂的工程设计。基因组进化在试管中模拟达尔文进化，涉及遗传多样性和文库筛选的迭代过程。与理性设计不同，基因组进化工程较少依赖于基因型-表型关系的先验知识，通过非定点或定点诱变有效地创造遗传多样性，然后在选择性生长条件下筛选优异表型。本节将从随机进化（非理性）以及可示踪基因组进化（半理性）两个方向总结酿酒酵母全基因组水平进化的技术发展（图1）。
图1 酿酒酵母基因组进化的主要技术策略
（基因组进化主要包括基于随机突变的基因组进化技术和基于高效基因组编辑技术的可示踪基因组进化技术）
gTME—全局转录机制工程；SCRaMbLE—LoxP介导的合成染体重组和修饰进化系统；YOGE—酵母寡核苷酸介导的基因组工程；eMAGE—真核多重自动化基因组工程；RAGE—RNAi辅助基因组进化；CHAnGE—CRISPR/Cas9和同源定向修复辅助的全基因组进化；MAGIC—多功能全基因组CRISPR系统; MAGESTIC—基于短、可示踪、整合的细胞条形码的多重精准基因编辑技术；NGS—二代测序氧化铟
湖北师范学院学报1.1 基于随机突变的基因组进化
传统的基因组进化方法依赖于随机突变，可通过化学诱变剂/紫外线辐射、适应性进化、转座子插入和基因组改组等实现。基于随机突变的基因组进化方法因操作简单并且能有效产生改良的表型，在工业上被广泛采用，尤其是对于遗传学定义不明确且遗传工具有限的宿主。
1.1.1 化学/物理诱变
化学/物理诱变是一种经典的菌株改良的方法。该技术将微生物细胞暴露在适量的诱变剂下，通过链断裂以及碱基的添加、删除或替换造成DNA随机损伤，再结合有效的筛选策略，获得性状优良的目标菌株。但其分子机制在很大程度上是未知的。常用的化学诱变剂包括亚硝基胍（nitrosoguanidine, NTG）和甲基磺酸乙酯（ethyl methane-sulfonate, EMS），而紫外线也被广泛用于改变微生物的遗传物质。Hashimoto等利用紫外诱变成功选育出营养缺陷型的二倍体工业酵母突变体。Rous等利用EMS诱变技术选育的酵母细胞，降低了异戊醇等杂醇的生产，使葡萄酒的香气更为浓郁。
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