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7分Microbiology Spectrum又一篇!菌群在發(fā)酵過程中如何動(dòng)態(tài)演替?

2021-12-27

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期刊:《Microbiology Spectrum》

影響因子:7.171


近期,派森諾華中農(nóng)業(yè)大學(xué)合作,再次在美國微生物協(xié)會(huì)(ASM)旗下的《Microbiology Spectrum》發(fā)表文章,通過擴(kuò)增子測(cè)序和代謝組檢測(cè)等手段,對(duì)兩階段固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)中微生物群落的演替進(jìn)行詳細(xì)研究,為調(diào)控食品發(fā)酵過程中的微生物群落,以及促進(jìn)發(fā)酵食品工業(yè)的現(xiàn)代化奠定基礎(chǔ)!


研究背景

隨著新一代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展,使得研究者對(duì)來自多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜微生物群落的組成和動(dòng)態(tài)的認(rèn)識(shí)有了飛躍性的進(jìn)展。關(guān)于生物或非生物因素對(duì)微生物群落的聚集和穩(wěn)定性的影響已被廣泛報(bào)道。然而,在自然生態(tài)系統(tǒng)中,微生物群落結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展的復(fù)雜機(jī)制仍需要進(jìn)一步了解。對(duì)于自然棲息地,由于其生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,并不是研究微生物群落演替的理想模型。相比之下,發(fā)酵食品是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單、可重復(fù)的半自然生態(tài)系統(tǒng),能夠較為容易地檢測(cè)空間和時(shí)間尺度上的群落變化,因而可以作為探索微生物群落形成機(jī)制的理想模型。因此,本研究選取小曲白酒釀造工藝為實(shí)驗(yàn)?zāi)P烷_展研究。

研究方法

本研究以小曲白酒釀造系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)P停O(shè)計(jì)了一個(gè)現(xiàn)代釀酒廠的原位實(shí)驗(yàn),探索其微生物群落的多階段時(shí)序演替模式。采用兩種不同的發(fā)酵劑進(jìn)行了小曲酒的釀造試驗(yàn)(純發(fā)酵劑:PS和傳統(tǒng)發(fā)酵劑:TS)。通過擴(kuò)增子測(cè)序研究釀造過程中微生物群落的組裝和動(dòng)態(tài)(釀造/糖化階段:SAC [0、6、12、18和24 h];發(fā)酵階段:FER [0、3、6、9、12和15 d])。通過BetaNTI分析,評(píng)價(jià)不同生態(tài)過程對(duì)群落組裝的影響。此外,利用靶向代謝組學(xué)分析檢測(cè)釀造過程中風(fēng)味物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:發(fā)酵劑酒糟多樣性組成譜研究

測(cè)序區(qū)域:細(xì)菌16S rRNA基因V4區(qū) + 真菌ITS 2

測(cè)序方法:Illumina NovaSeq PE250測(cè)序

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研究結(jié)果

釀酒過程中理化參數(shù)的測(cè)定結(jié)果顯示,不同發(fā)酵劑的理化參數(shù)變化趨勢(shì)一致,但兩階段的變化趨勢(shì)不同。糖化中后期,水分、溫度、還原糖和酸度均升高,而pH值降低。根據(jù)發(fā)酵物理化因素的動(dòng)態(tài)變化,將發(fā)酵階段分為發(fā)酵初期(0~3 d)和發(fā)酵后期(3~15 d)。在發(fā)酵初期,水分、溫度和乙醇迅速增加,同時(shí)還原糖消耗急劇增加。在發(fā)酵后期,溫度和乙醇濃度逐漸降低。同時(shí),發(fā)酵后期水分和還原糖保持相對(duì)穩(wěn)定,酸度持續(xù)增加。

通過多樣性組成譜測(cè)序以及QIIME 2分析發(fā)現(xiàn),所有樣本中共鑒定出406個(gè)細(xì)菌屬和48個(gè)真菌屬,且兩種發(fā)酵劑的微生物組成存在顯著差異。值得注意的是,無論兩組糖化過程的微生物組成如何,發(fā)酵過程的微生物組成都具有相同的組成模式。由此可見,發(fā)酵過程的微生物組成與兩批不同的糖化微生物組成無關(guān),說明參與發(fā)酵階段的微生物可能并不完全來自糖化微生物群落。為了驗(yàn)證此猜想,進(jìn)一步應(yīng)用SourceTracker算法進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,糖化菌群主要來源于發(fā)酵劑,發(fā)酵菌群主要來源于環(huán)境微生物。

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微生物組成的階段性變化表明,釀造過程中微生物群落發(fā)生了多階段的演替。以環(huán)境細(xì)菌替代發(fā)酵菌是細(xì)菌群落的主要演替模式,而真菌群落演替模式與細(xì)菌群落演替模式略有不同。真菌群落演替主要由更替性和物種丟失共同主導(dǎo)。進(jìn)一步采用相關(guān)性分析和BetaNTI相結(jié)合的手段分析酒釀造過程中微生物群落演變的決定因素。研究發(fā)現(xiàn),酸度、還原糖和溫度是釀造過程中細(xì)菌群落組裝的決定因素。真菌群落均質(zhì)化過程中,釀酒酵母占據(jù)主導(dǎo)地位。

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對(duì)揮發(fā)性代謝物的檢測(cè)結(jié)果可以看出,兩組不同發(fā)酵劑的代謝產(chǎn)物在糖化階段無差異,但在發(fā)酵階段有細(xì)微差異。RDA分析結(jié)果顯示,微生物群落組成和風(fēng)味化合物之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。

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研究結(jié)論

本研究結(jié)果揭示了兩階段白酒釀造系統(tǒng)中微生物群落的動(dòng)態(tài)組成和演替模式。其不僅為白酒釀造系統(tǒng)微生物群落的多階段演替模式研究提供了思路,也為優(yōu)化發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量提供了參考,有助于了解其他自然生態(tài)系統(tǒng)微生物群落演替模式:

1. 不同發(fā)酵劑主導(dǎo)糖化階段的菌群組成,但發(fā)酵階段兩組的微生物群落不受其影響,微生物群落和代謝產(chǎn)物組成均相似;

2. 糖化階段,PS組中Rhizopus及醇類含量較高,而TS組中MonascusSaccharomycopsis的豐度較高,促進(jìn)酸代謝和酯代謝;發(fā)酵階段,谷物酸化和缺氧分別導(dǎo)致細(xì)菌和真菌群落的演替;

3. 不同發(fā)酵底物驅(qū)動(dòng)下的微生物群落演替模式相似,物種更替塑造了細(xì)菌群落,而物種更替和物種丟失都促進(jìn)了真菌群落的演替。


本研究的測(cè)序工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。



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