镇江香醋酿造微生物群落的交互作用关系与机制解析

Zhenjiang aromatic vinegar is one of the Chinese traditional leading brands of vinegar, fermented with various microorganisms in open and solid-state environment. Many microorganisms participate in the flavor formation of vinegar via complex biochemical reactions. In our previous study, the relationship between functional microorganism succession and key flavor formation of Zhenjiang aromatic vinegar were revealed by metagenomics and metabolomics. However, microbial interaction in the vinegar microbiota remains unclear. In this study, relationship and molecular mechanisms underlying the microbial interactions in vinegar microbiota were elucidated by analyzing formation of vinegar microbiota, functional complementation of microbes, metabolites-mediated exchange of microbial information, and perturbation of microbial metabolism. Furthermore, the microbial interaction of functional microbiota were validated in vitro and in vivo. This study is beneficial to elucidate the mechanism of vinegar fermentation, and to construct synthetic microbial consortia for vinegar fermentation.

镇江香醋是我国固态开放式多菌种混合发酵食醋的典型代表，其风味形成是一个由多种微生物参与的复杂生化过程。申请人前期构建的基于元基因组分析结合代谢物组分析平台技术为解析食醋醋酸发酵阶段醋醅中功能微生物与关键代谢产物之间的关系奠定了扎实的基础，但是目前对于固态醋酸发酵过程中微生物之间的交互作用关系及机制尚缺少深入研究。本项目继续以镇江香醋为代表，综合运用元基因组测序、现代仪器分析以及多重统计学分析等技术，结合核心微生物的混合培养及消长规律、代谢途径解析及其功能互补调控、基于中间代谢产物的信息交流及其对微生物代谢扰动等研究，深入探讨核心微生物之间的交互作用关系与机制，并通过不同核心微生物的组合培养，验证其协同互补作用，为构建高效稳定的酿醋“人工菌群”，实现传统酿醋微生物的减量可控，在不改变传统食醋风味品质的基础上创新酿醋工艺奠定理论和实践基础。

本项目以典型多菌种固态发酵的镇江香醋为研究对象，系统分析了发酵剂和环境因子对酿造微生物群落和化合物代谢的影响，明确了醋酸发酵为其风味物质积累的主体阶段；采用统计生态学方法，构建了酿醋微生物群落的共现性网络，发现正相关关系在整个网络中占主导，解析了以醋杆菌和乳杆菌为主的优势菌群与非优势菌群之间的互作关系，确定了包括非优势种群驹形杆菌在内的七个关键物种，并通过原位发酵实验研究了非优势种对酿造生态系统的影响；研究了优势微生物乳杆菌和醋杆菌在食醋重要风味物质（如乳酸、乙偶姻）代谢上的互作机制，建立了基于功能微生物单菌和多菌强化的食醋风味优化工艺；最终在进一步剖析种醅中关键活跃优势微生物的基础上，采用“自下而上”策略构建了人工减量合成微生物组，初步实现了其替代种醅的镇江香醋酿造。本项目的实施加深了对镇江香醋传统生产工艺科学机理的理解，阐释了食醋酿造微生物复杂的互作关系，为不改变传统食醋风味品质基础上的传统工艺现代化升级提供了理论和实践依据。