真菌与分枝杆杆菌区别（相关真菌-细菌相互作用贡献自发发酵过程中地理依赖性风味形成）
真菌与分枝杆杆菌区别（相关真菌-细菌相互作用贡献自发发酵过程中地理依赖性风味形成）图1 白酒发酵的地理风味特征如图1b所示，不同白酒香型发酵样品的挥发性组分与含量具有显著差异。在挥发性组分的相似程度上呈现显著的地域依赖性即地理距离越远的酒厂，发酵样品挥发性组分相似度越低，而同一香型酒厂的地理距离较近，挥发性组分相似度也较高（图 1c）。典型的QX酿酒厂主要位于黄河附近36°N至37°N的纬度范围内。NX酿酒厂主要位于长江沿岸28°N至30°N的纬度范围内（图 1a）。从中国9个有代表性的酒厂收集了403个发酵样品，包括101个清香型（QX）样品，98个浓香型（NX）样品，204个酱香型（JX）样品。收集的样品涵盖了每个香型发酵的5到6个发酵批次。在发酵过程中每隔5天采样一次。在每个采样时间点，在每个坑的相同深度(0.5 m和1.0 m)采样，保证取样的一致性。代谢组学、宏基因组学、宏转录组学1、 白酒发酵的地域风味特征
发酵食品伴随人类的文明和发展，不仅是因为它的主要目的是保存食物，也是由于其具有很多诱人的独特味道。与其他地区的同类产品相比，来自不同地理区域的发酵食品往往具有独特的风味特征。2022年9月，江南大学生物工程学院对酿造白酒进行了系统研究，于生物学领域期刊《Microbiology Spectrum》（IF=9.043）发表题为《Geographically Associated Fungus-Bacterium Interactions Contribute to the Formation of Geography-Dependent Flavor during High-Complexity Spontaneous Fermentation》，探究了地理相关的酿造白酒的风味形成模式。
奥维森科技为此提供了代谢组学、宏基因组学和宏转录组学检测及分析服务。
地理相关的真菌-细菌相互作用贡献了高度复杂自发发酵过程中地理依赖性风味的形成
研究背景中国白酒，是历史悠久的且广受消费者青睐的传统发酵食品之一。白酒多菌种（细菌、酵母、霉菌等）固态双边发酵（边糖化边自发发酵）的复杂发酵工艺，在千年传承与创新的过程中，诞生了多种区域偏好的发酵香型。除地域气候、原料与设备等因素外，不同香型白酒发酵菌群的复杂性、未表征的微生物代谢作用以及有限的菌群发酵调控措施，使得典型白酒香型的异地生产成为长期以来困扰行业发展的关键谜题。因此，本研究采集了不同地理位置的发酵白酒，并通过代谢组学、宏基因组学、宏转录组学分析，揭示了白酒发酵过程中地理依赖性风味的形成。
研究策略从中国9个有代表性的酒厂收集了403个发酵样品，包括101个清香型（QX）样品，98个浓香型（NX）样品，204个酱香型（JX）样品。收集的样品涵盖了每个香型发酵的5到6个发酵批次。在发酵过程中每隔5天采样一次。在每个采样时间点，在每个坑的相同深度(0.5 m和1.0 m)采样，保证取样的一致性。
实验技术代谢组学、宏基因组学、宏转录组学
研究结果1、 白酒发酵的地域风味特征
如图1b所示，不同白酒香型发酵样品的挥发性组分与含量具有显著差异。在挥发性组分的相似程度上呈现显著的地域依赖性即地理距离越远的酒厂，发酵样品挥发性组分相似度越低，而同一香型酒厂的地理距离较近，挥发性组分相似度也较高（图 1c）。典型的QX酿酒厂主要位于黄河附近36°N至37°N的纬度范围内。NX酿酒厂主要位于长江沿岸28°N至30°N的纬度范围内（图 1a）。
图1 白酒发酵的地理风味特征
2、白酒发酵微生物群的地理特征
高丰度的微生物属(相对丰度>0.1%)不同香型产区间是相似的，占细菌或真菌总相对丰度的90%以上（图 2a）。如图2b所示，在属分类水平上，三组微生物结构差异显著(P< 0.001)。三组间按细菌属分离的差异小于按真菌属分离的差异，说明真菌结构的差异可能更大。真菌和细菌的结构都与纬度显著相关（图 2c）。真菌结构与纬度呈极显著的线性相关(R2 = 0.494；P<0.001)大于经度(R2 =0.054；P< 0.001)，表明发酵真菌成分具有纬度依赖性。
图2 403个样品中QX、NX和JX的微生物特征
3、地域风味物质与白酒微生物群的相互作用
如图3a所示，QX组87.3%的核心真菌和细菌属参与了化学标记物的共代谢，NX组80.5%参与了共代谢，JX组74.1%参与了共代谢。同时，大多数酸、醇、醛、酯和其他芳香族化合物都是由真菌和细菌产生的。变异区分析（VPA）表明，真菌-细菌共同代谢对地理依赖性风味的贡献大于单独来自细菌或真菌的贡献（图 3b）。图4揭示了分子生态网络表征了所有特征风味物质与核心微生物群落之间的详细关联。网络低关联冗余度往往表现出对于外界环境变化较低的抵抗力，这解释了酱香型发酵产区形成对于区域更加敏感的特征。
图3 风味相关化学标记的贡献率
图4 在QX、NX和JX发酵过程中，确定了核心真菌-细菌的相互作用和挥发性化学标记的贡献模式
4、地域风味特征物质的真菌-细菌的共代谢机制
如图5所示，以酱香型白酒发酵为例，通过宏转录组学技术确定了部分真菌-细菌代谢相互作用贡献特征风味物质的基因和途径。通过对特征风味物质代谢模式的分析，发现真菌-细菌代谢相互作用是动态的（互作强度随发酵时间变化），且大部分特征风味物质的最终合成需要依赖化学反应，这说明白酒发酵菌群特征风味物质的代谢容易受到发酵参数（如温度影响美拉德反应）和相互作用概率、强度及持续时间的影响。因而，相同的发酵微生物群落可能在不同发酵环境下具有差异代谢轮廓。
图5 JX发酵过程中代表风味特征物质的合成途径及分子机制
5、 白酒发酵微生物组的群落组装模式
通过分析样品的初始生物特征，我们发现了相同微生物属下可能存在多个具有功能差异的微生物菌株，且在初始菌群结构上具有丰度差异。因而，除发酵参数的确定性作用外，这种从发酵接种开始便存在的微生物差异，可能对于发酵过程菌群组装与代谢也具有影响（图 6）。通过分析菌群组装模式，发现发酵菌群存在随机组装过程，菌群动态演替对于特征风味物质的贡献在一定程度上存在随机性，这解释了大规模白酒工业化生产实践过程中，优质发酵批次的比例往往存在概率瓶颈。同时，不同香型发酵过程菌群组装模式的具有不同的动态变化周期，这可能是不同香型白酒发酵过程时长不同的原因之一。
图6 不同的初始微生物结构和菌株水平的多样性有助于不同的微生物群组装
6、模拟发酵过程中微生物代谢的风味调控
如图7a所示，风味相关化学物质的不同浓度受不同微生物初始丰度调节。五株菌群产生的酸、酯和芳香族化学物质浓度明显高于一株或两株菌群。通过调整相同微生物菌株相互作用发生的时间，可影响代谢特征风味物质的代谢轮廓。（图 7b）。壬醛、2-羟基丙酸乙酯、1-戊醇、己酸、邻苯二甲酸异丁酯和丁酸乙酯的浓度均随地理距离的增加而降低。
图7 在模拟发酵过程中，核心酵母成分和微生物分布显示出不同的代谢图谱
研究结论1、中国白酒不同香型的风味特征主要体现在约20 ~ 40个不同的特征风味化合物的组成上。白酒微生物菌群的区域生态特征主要体现在纬度依赖性真菌结构上。差异的区域微生物生态，通过约48到156个核心微生物物种的共同作用，形成了不同香型白酒的产区特征优势。
2、酵母和乳酸菌之间的动态相互作用促进了杂环风味化学物质的代谢，如2-乙酰吡咯、2 3 5-三甲基吡嗪和2-乙酰呋喃。
3、基于真菌-细菌相互作用与菌群组装模式，解密了白酒发酵优质率、发酵时长特征的成因，并据此提出、验证了调控菌群特征风味物质代谢的可行方式。
参考文献[1] Tan Y Du H Zhang H et al. Geographically Associated Fungus-Bacterium Interactions Contribute to the Formation of Geography-Dependent Flavor during High-Complexity Spontaneous Fermentation[J]. Microbiol Spectr. 2022.
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