基于宏转录组学的浓香型酒醅微生物群落多样性及代谢特征研究

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浓香型白酒作为中国传统蒸馏酒的典型代表,其生产方式采用独特的多菌种自发-固态发酵工艺,酒醅主要是指处于整个固态发酵过程中的多种物料混合物,其发酵结束后用于蒸馏制备原酒。酒醅作为白酒酿造过程中微生物的生长基质和白酒呈香物质的直接来源,其微生物菌群结构、生理活性及其代谢过程等直接影响白酒的品质。目前,大多数研究是使用DNA水平上的技术对浓香型酒醅发酵过程中菌群结构及功能进行解析,其结果并不能准确反映酒醅环境中菌群的真实生理活性及代谢特征等情况。而基于RNA水平的宏转录组学研究的是微生物群落中的活性成员,能更真实地反映微生物的贡献。为了进一步揭示浓香型酒醅中活性菌群的群落多样性、功能特征及代谢途径,本研究首次采用宏转录组学技术对浓香型白酒酿造过程中不同发酵节点酒醅样品中的微生物进行了研究,主要研究结果如下:(1)建立的酒醅总RNA提取方法——SDS-苯酚法,与试剂盒法、Trizol法、CTAB法、月桂酸钠法相比,提取的总RNA浓度(647.6 ng/μL)及纯度(OD260/OD280=1.88,OD260/OD230=2.05)较高、电泳条带完整,且可有效用于反转录及高通量测序分析。(2)利用宏转录组(RNA水平)和16S/ITS基因测序(DNA水平)两种方法所获得的发酵第7天酒醅微生物群落组成及功能的结果具有一定的异同性,主要体现在:两个水平上最常见的细菌门和真菌门均分别为Firmicutes和Ascomycota,最丰富的真菌属均为Saccharomyce,而在DNA水平上含量最高的细菌属(Kroppenstedtia)未在RNA水平上检测到,其含量最高的属为Streptococcus,且有较多具有转录活性的属(Aphanizomenon,Prevotella,Amanita,Naumovozyma等)仅能通过宏转录组技术可以检测到;两个水平上酒醅微生物菌群KEGG功能均主要为“代谢”,且主要富集在“碳水化合物代谢”通路中,“环境信息处理”、“组织系统”和“遗传信息处理”功能类别下富集比例最高的通路在DNA水平上分别是“膜转运”、“环境适应”和“复制和修复”,而在RNA水平上分别为“信号转导”、“内分泌系统”和“翻译”。此外,酒醅发酵第7天时,乙醇、乙酸和乳酸的合成以淀粉或糊精为起点,历经葡萄糖、丙酮酸、(乳酸)、乙酰辅酶A、乙酸、乙醛、乙醇一系列物质的转化过程,整个过程以Saccharomyces cerevisiae为主要贡献菌,并协同其他微生物(Torulaspora dellbrueckii、Pichia kudriavzevii等)相互作用促进物质合成。(3)通过宏转录组技术对浓香型白酒整个发酵过程中酒醅生物群落进行物种注释发现,所有酒醅样品中共有6界、135门、239纲、690目、1621科、3942属及14800种,其中,包括4个优势门(Firmicutes、Ascomycota、Basidiomycota、Proteobacteria)、4个优势纲(Bacilli、Saccharomycetes、Clostridia、Agaricomycetes)和5个优势属(Lactobacillus、Saccharomyces、Bacillus、Staphylococcus、Streptococcus)。细菌界微生物群落多样性在发酵过程中呈先升后降趋势,在7天时最高,而真菌界微生物群落多样性呈上升趋势,在60天时最高;发酵周期可划分为前(3d)、中(7-15d)、后(25-60d)期三个阶段,发酵前期以真菌界为优势,发酵中后期则以细菌界为优势;高含量的Firmicutes和Ascomycota对驱动酒醅活性微生物群落变化起了重要作用,Bacilli和Saccharomycetes是整个发酵过程中的主要优势纲,发酵后期,Lactobacillus在RNA水平上也处于绝对优势;宏转录组学技术能够证实通过培养检测到的微生物是否真的有菌体存活;酒醅活性微生物主要受总酸和p H的影响,其次是氨态氮和含水量。(4)在基因表达方面,也可将发酵周期划分为前(3d)、中(7-15d)、后(25-60d)期三个阶段;egg NOG和COG注释结果均显示有较多基因参与“翻译,核糖体结构和生物发生”、“能量产生和转换”、“碳水化合物运输和代谢”和“氨基酸运输和代谢”,KEGG注释结果中富集基因数量较多的代谢通路为“碳水化合物代谢(9439genes)”、“翻译(6110 genes)”和“信号传导(3674 genes)”,说明酒醅微生物群落中细胞生长、产能和代谢均很活跃;GO注释结果中,在“生物过程(85603 genes)”类别下基因数量较多的功能为“代谢过程(24803 genes)”和“细胞生理过程(24053genes)”,说明在酒醅发酵过程中存在大量参与调控细胞代谢和生理过程的基因;发酵前期和中期基因表达量变化最为显著,B3与B7之间上调和下调基因分别为157和5435个,B7与B15之间分别为4029和95个,其中发酵第7天是基因表达最为活跃的时期,且发酵7天时与基因信息加工及产能活动相关的基因表达水平明显升高,而7天之后微生物代谢活动表达水平下降,表明发酵第7天是酒醅发酵的关键时间节点。(5)丁酸代谢网络中,共涉及76种酶、965个基因、20纲和152属,其中Lactobacillus、Clostridium、Rhodococcus、Herbaspirillum、Saccharomyces和Bacteroides为主要贡献菌,且分为了7条不同的途径:(1)谷氨酸、(2)丁醇、(3)赖氨酸、(4)3-丁烯酰-Co A、(5)草酰乙酸、(6)乙酰乙酸、(7)乙酰-Co A(主要途径),合成过程中,巴豆酰-Co A为中间枢纽,buk和ato D为最终酶。推测的己酸合成途径是由丁酰-Co A和乙酰-Co A先形成己酰-Co A,之后乙酸与己酰-Co A共同形成己酸。3-甲基丁酸合成代谢途径中,涉及4种酶、155个基因,主要以亮氨酸—α-酮异己酸—3-甲基丁醛—3-甲基丁酸的合成路线为主,且发酵前期以Saccharomyces为主要贡献菌,中后期变为Lactobacillus。本研究不仅揭示了基于DNA与RNA水平上两种方法研究酒醅微生物菌群结果之间的差异,还明晰了浓香型酒醅发酵过程中活性微生物群落多样性及功能特征变化,对评估酒醅质量和安全、控制和优化群落结构具有重要的理论及现实意义,并为深入揭示浓香型白酒发酵机理及发酵过程调控提供理论基础。此外,系统研究酒醅微生物菌群合成重要呈香脂肪酸的代谢途径可进一步揭示其合成机制,以期通过微生物定向强化技术实现从源头上调控浓香型白酒中重要呈香脂肪酸及其相应酯含量。
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