江南大學(xué)許正宏教授團(tuán)隊發(fā)表系列成果闡述谷物醋釀造微生態(tài)系統(tǒng)中的“蝴蝶效應(yīng)”——非優(yōu)勢微生物歐洲駒形桿菌在群落中的關(guān)鍵作用

　　近期，我校生物工程學(xué)院許正宏教授團(tuán)隊針對非優(yōu)勢微生物在傳統(tǒng)釀造谷物醋中的作用研究取得重要進(jìn)展，研究成果“Komagataeibacter europaeus improves community stability and function in solid-state cereal vinegar fermentation cosystem: non-abundant species plays important role”正式發(fā)表于《Food Research International》 （IF=6.475） （https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110815），“Distinct co-occurrence patterns and driving forces of abundant and rare bacterial communities in the multispecies solid-state fermentation process of cereal vinegar”正式發(fā)表于《Systems Microbiology and Biomanufacturing》（https://doi.org/10.1007/s43393-021-00064-6）。

 

　　“一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風(fēng)”，這便是經(jīng)典的“蝴蝶效應(yīng)”，用以說明初始條件十分微小的變化經(jīng)過不斷放大，對其未來狀態(tài)會造成極其巨大的影響。中國傳統(tǒng)谷物醋通常在開放環(huán)境下釀造而成，其發(fā)酵過程中涉及多種微生物的參與，形成了復(fù)雜的多物種微生態(tài)系統(tǒng)，包括高豐度的乳酸桿菌和醋酸桿菌等優(yōu)勢種群（總序列相對豐度≥1%）以及種類繁多的稀有種群。目前科研人員已通過大量工作解析了優(yōu)勢種群的結(jié)構(gòu)及其在谷物醋釀造中的功能，但對非優(yōu)勢種群在釀醋過程中的作用尚缺乏研究。那么，在谷物醋釀造群落中如繁星點點的非優(yōu)勢微生物是否會發(fā)揮“蝴蝶效應(yīng)”而影響整個微生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能呢？

 

　　許正宏教授團(tuán)隊與江蘇恒順集團(tuán)長期合作，致力于鎮(zhèn)江香醋釀造微生態(tài)研究，采用現(xiàn)代生物技術(shù)解析傳統(tǒng)釀醋工藝機(jī)理，挖掘釀醋微生物的功能并加以理性工業(yè)應(yīng)用。本研究以鎮(zhèn)江香醋為研究對象，1）采用高通量測序技術(shù)和統(tǒng)計生態(tài)學(xué)的方法，比較分析了固態(tài)醋酸發(fā)酵過程中優(yōu)勢和稀有細(xì)菌微生物亞群落的結(jié)構(gòu)與演替規(guī)律，在醋酸發(fā)酵過程中，優(yōu)勢種群以乳桿菌屬Lactobacillus和醋桿菌屬Acetobacter為主（相對豐度>75%），稀有種群包括駒形桿菌屬Komagataribacter、歐文氏菌屬Erwinia、甲基桿菌屬Methylobacterium等，NMDS和Bray-Curtis相異度分析結(jié)果表明，與優(yōu)勢種群相比，稀有種群不同發(fā)酵階段結(jié)構(gòu)差異更顯著；2）解析了影響兩類亞群落演替的主要環(huán)境驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)不同優(yōu)勢種群在發(fā)酵過程中的演替驅(qū)動力不同，且相較于優(yōu)勢種群，稀有種群可能受到更多環(huán)境因子的影響；3）通過共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析揭示了優(yōu)勢和稀有種群間的互作關(guān)系，優(yōu)勢種群與稀有種群微生物之間的相互作用比它們各自內(nèi)部之間的相互作用更多，基于模塊內(nèi)連接和模塊間連接的相關(guān)算法確定了包括非優(yōu)勢種群駒形桿菌在內(nèi)的七個關(guān)鍵物種，其中駒形桿菌屬的OTU97與其它物種的連接最多（相互作用較強(qiáng)）；4）進(jìn)一步經(jīng)分離培養(yǎng)得到其代表菌株歐洲駒形桿菌Komagataeibacter europaeus JNP1，通過原位強(qiáng)化實驗研究了非優(yōu)勢種對釀造生態(tài)系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)JNP1的強(qiáng)化可加速乙酸的生成和還原糖的消耗，有助于提高原料利用率，改善食醋品質(zhì)。

 

　　本研究聚焦傳統(tǒng)釀造食醋復(fù)雜微生物群落中的低豐度非優(yōu)勢種群，系統(tǒng)解析了稀有微生物在發(fā)酵過程中保障群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和代謝功能的關(guān)鍵作用，加深了對我國傳統(tǒng)食品多菌種協(xié)同產(chǎn)香發(fā)酵工藝所蘊含的科學(xué)道理的認(rèn)知，為基于微生物群落調(diào)控的生產(chǎn)工藝優(yōu)化和產(chǎn)品品質(zhì)提升提供了一個嶄新的視角。

 

　　許正宏教授為論文通訊作者，我校17級博士生彭銘燁為第一作者。上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（31771967）、國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC1603800和2018YFC1603802）的資助。