梭菌纲对浓香型酒醅菌群网络影响及合成重要呈香脂肪酸代谢途径研究

Chinese strong-aroma liquor (CSAL) is produced by using multiple microbial species and spontaneous solid state fermentation (SSF). Previous studies have showed that the bacteria assigned to the class of Clostridia, with the phylogenetic and metabolic diversity, are dominant microorganisms, important hubs of interaction network of microflora, and closely related to the formation of aroma-significant fatty acids (ASFAs) in the CSAL brewing system. However, the clostridial functional properties, and anabolic pathway of ASFAs synthezed by Clostridia, and their influence on the microbial interaction network in the CSAL brewing system are still unclear. This project will take fermented grain, the main microbial carrier applied to the fermentation process for the production of CSAL, as a research object, and analyze the alpha- and beta- diversity of clostridial community at the omics level, and reveal the functional and metabolic characteristics, metabolic pathways for the ASFAs synthesis, and associations with metabolisms of other brewing microorganisms of Clostridia in this SSF system at the transcription level by using the strateges including metagenome and metatranscriptome sequencing, dynamic and network analysis, etc. All these results obtained in this study will enrich the technological meaning of strengthening the ASFAs anabolism, controlling and optimizing the structure of clostridial community, and the directional assembly of microbial communities, etc., and provide a theoretical basis for the improvement of the quality and safety of CSAL by using above technologies.

浓香型白酒采用多菌种自发固态发酵模式生产。前期研究发现，梭菌纲细菌（梭菌）具有系统发育及代谢类型多样性，是浓香型白酒酿造体系中优势微生物及菌群网络关系中的重要枢纽，被认为与白酒中重要呈香脂肪酸的合成密切相关。但目前对梭菌群落在该酿造环境中的功能特性、合成重要呈香脂肪酸主要代谢途径及其对整体菌群网络关系影响机制尚不明晰。本项目以浓香型白酒微生物发酵主要载体—酒醅为研究对象，采用宏基因组学及宏转录组学技术、动态分析及网络分析等研究策略，从组学视角全面解析梭菌群落的α-及β-多样性，从转录层面深入揭示梭菌在该固态酿造环境下的功能与代谢特征、合成脂肪酸的代谢途径及与其它酿造微生物之间的代谢关联性。研究结果将丰富强化脂肪酸合成代谢、群落结构控制和优化及群落定向组装等技术的内涵，进而为采用这些技术提高浓香型白酒质量与安全提供理论支撑。

浓香型白酒采用多菌种自发固态发酵模式生产。梭菌纲细菌（梭菌）具有系统发育及代谢类型多样性，是浓香型白酒酿造体系中优势微生物及菌群网络关系中的重要枢纽，被认为与白酒中重要呈香脂肪酸的合成密切相关。本项目从组学视角全面解析酒醅梭菌群落的α-及β-多样性，从转录层面深入揭示梭菌在该固态酿造环境下的功能与代谢特征、合成脂肪酸的代谢途径及与其它酿造微生物之间的代谢关联性。主要研究结果和结论如下：①建立了一种针对于酒醅总RNA提取的具有综合优势的SDS-苯酚法。②与DNA水平上的技术相比，基于RNA的宏转录组学技术获得的酒醅物种信息更加多样，且微生物功能覆盖信息更全面真实。③ RNA水平上注释到梭菌纲中可鉴定的目、科、属数量分别为4个、25个和147个，梭菌菌群与发酵时间存在较好的关联性，其含量及物种多样性均在酒醅发酵15天时最高，且活性梭菌主要为太阳杆菌科（1.49%）、瘤胃菌科（0.87%）、梭菌科（0.34%）和毛螺菌科（0.15%）。④基于KEGG、GO和EggNOG三大数据库注释，酒醅中梭菌在白酒发酵过程中主要功能是参与碳水化合物代谢、氨基酸代谢和能量代谢。⑤丁酸合成分为了7条不同的途径，共涉及了76种酶、965个基因、20纲和152属，其中Lactobacillus、Clostridium、Rhodococcus、Herbaspirillum、Saccharomyces和Bacteroides为整个代谢过程中的主要贡献菌，其中乙酰-CoA途径是丁酸合成的主要代谢途径；推测己酸合成途径是由丁酰-CoA和乙酰-CoA先形成己酰-CoA，然后乙酸与己酰-CoA共同形成己酸； 3-甲基丁酸合成代谢途径涉及4个酶、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。⑥酒醅微生物群落关联性主要是由细菌决定的。在酒醅微生物菌群同现性网络图谱中，与梭菌呈现正相关的属隶属于18个纲，其中梭菌纲与芽孢杆菌纲中属的相关性最高，并以丁酸代谢为例初步揭示了梭菌纲与其它菌纲微生物之间的代谢关联性。本研究结果可望为深入揭示梭菌在浓香型白酒固态酿造环境中的发酵机制、微生物群落定向组装及提升白酒品质与安全提供理论依据。