花蜜微生物及其生态功能研究进展

花蜜是虫媒植物提供给传粉者最有效的报酬,对花蜜特征介导的植物-传粉者相互关系的研究已成为当今传粉生物学研究中最活跃的领域之一。开花植物分泌的原始花蜜是无菌的,不过一些微生物可经由空气传播至花蜜或(和)通过与传粉者的喙接触而聚集于花蜜中,并利用花蜜中的营养物质进行快速繁殖。花蜜的高渗透压环境导致花蜜中微生物(酵母菌,细菌)的物种多样性相对较低。此外,某些生物(传粉者组成,微生物间的竞争)与非生物因素(渗透压,糖组成,次生代谢物质,抗菌化合物,可利用氮源,温度,pH)也可影响花蜜中微生物群落的形成。花蜜中微生物的代谢活动能够改变花蜜物理(温度,粘度)与化学(pH,H_2O_2含量,糖组成和浓度,氨基酸组分和浓度,以及气味)特性,进而影响传粉者的访花行为与植物的繁殖适合度。因而,对花蜜中微生物及其生态功能的研究近年来颇受传粉生物学家的关注。在总结已发表研究成果的基础上,提出今后的研究有必要结合分子生物学与化学分析技术,以进一步揭示影响花蜜中微生物群落的潜在因素的作用机制,同时对花蜜微生物改变花蜜的物理、化学特性及植物-传粉者之间相互作用的可能原因进行更详尽的阐释,特别是对花蜜微生物在生态系统中所发挥的生态功能进行进一步的研究与认识。     

青稞酒发酵过程中的风味功能微生物及其风味代谢特征解析

[背景]青稞酒是一个多菌种固态发酵的产物,解析发酵过程中重要的功能微生物及其代谢特征对调控青稞酒发酵具有重要作用。[目的]揭示青稞酒发酵过程中的风味功能微生物并解析其风味代谢特征。[方法]基于高通量测序技术揭示青稞酒发酵过程中的微生物群落多样性和组成;采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱技术跟踪酒醅的风味信息;通过微生物属与风味物质的关联分析揭示青稞酒发酵过程中风味功能微生物菌群,并采用蒙特卡洛检验分析进一步揭示发酵过程理化因子对风味功能微生物菌群的影响;于实验室环境下重构6株微生物发酵体系,以揭示其风味代谢特征。[结果]青稞酒发酵过程中9个真菌属和8个细菌属(相对丰度>1%)占据优势,其中Aspergillus、Komagataella、Lactobacillus、Pichia、Saccharomyces和Weissella是青稞酒发酵过程主要风味功能微生物;发酵过程中还原糖(r^2=0.946 9,P=0.013 2)和酸度(r^2=0.847 6,P=0.048 6)是驱动风味功能微生物菌群演替的关键因子;6株菌的组合发酵实验揭示了体外系统与原位系统具有相同的微生物演替现象与相似的风味轮廓。[结论]研究揭示了青稞酒发酵过程关键的风味功能微生物以及驱动该菌群演替的重要环境因子,并通过组合发酵实验验证了这些微生物的风味代谢特征,为青稞酒发酵过程的风味调控提供了新的视角。     

清香型白酒发酵过程中酵母群落结构及其与尿素代谢的关系

【目的】探索清香型白酒发酵过程中酵母群落结构及演变,分析潜在的关键尿素代谢酵母及其环境调控因素,为降低发酵过程中氨基甲酸乙酯的含量提供理论依据。【方法】通过相关性分析明确发酵过程中氨基甲酸乙酯主要前体物质及其代谢微生物类群,利用高通量测序技术解析酵母群落结构组成,并结合偏最小二乘回归分析寻找潜在的关键尿素代谢酵母。采用冗余分析评价发酵过程中环境因素对酵母群落结构的影响。【结果】尿素是清香型白酒发酵过程中氨基甲酸乙酯的主要前体物质,酵母是尿素代谢的主要微生物。高通量测序结果显示,在97%的相似度下进行操作分类单元聚类后,共鉴定出22个酵母种。其中,嗜高压有孢汉生酵母(Hanseniaspora osmophila)、发酵毕赤酵母(Pichia fermentans)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)与尿素合成存在正相关性,库德毕赤酵母(Pichia kudriavzevii)与尿素降解存在正相关性。酒醅含水量、p H、乙醇和精氨酸是影响发酵过程中酵母群落演替的重要环境因素。【结论】环境因素影响潜在的关键尿素代谢酵母,为降低发酵过程中尿素与氨基甲酸乙酯含量提供理论依据。     

乙醇与酸度协同作用推动芝麻香型白酒固态发酵过程的微生物群落演替

【背景】揭示白酒固态发酵过程中微生物组装规律及其环境驱动因素,对于解析白酒酿造微生物特征具有重要作用。【目的】揭示芝麻香型白酒固态发酵过程中微生物群落的演变规律及其演替的环境推动力。【方法】通过高通量测序揭示固态发酵过程中的优势微生物及群落结构演变过程;通过PICRUSt预测固态发酵过程中原核微生物群落代谢途径分布变化;通过关联分析揭示酒醅理化因子对微生物群落结构演变的解释率;通过实验室模拟发酵验证理化因子对群落组成的影响。【结果】芝麻香型白酒固态发酵过程包括2个阶段:阶段I (0-5 d),乙醇合成速率和还原糖消耗速率最高,Bacillus和Pichia是丰度最高的微生物属,酸度是群落演替最关键推动力;阶段II(5-30d),Lactobacilus和Saccharomyces是丰度最高的微生物属,乙醇是群落演替最关键推动力。在固态发酵过程中酒醅理化因子对群落演替的解释率为68.27%,其中乙醇(最高解释变量)和酸度的解释率分别为13.76%和4.43%,二者的共同解释率为23.17%,对推动微生物群落演替具有协同作用。【结论】揭示了芝麻香型白酒固态发酵过程的微生物群落演变规律及其演替的环境推动力,为提高白酒固态发酵过程可控性提供依据。     

生物热对传统固态发酵菌群演替及其代谢影响的研究进展

解析传统固态发酵中产生的生物热对微生物菌群代谢的影响,是认识发酵机制、调控发酵过程、保证发酵效率的关键之一。固态发酵过程中,微生物菌群代谢活动所产生的生物热及传热效率低等问题引起微环境温度升高,进而影响微生物的生长与代谢。然而,关于传统固态发酵微生物受生物热的影响及其适应机制仍不明晰。因此,本文以传统固态发酵体系为研究对象,阐述持续生物热介导的高温对固态发酵过程中微生物群落演替和代谢功能的影响,并提出复杂群落中具有多层次调控微生物代谢以适应高温环境的方式,主要从微生物群体与个体层面介绍可能存在的耐热机制。了解生物热对传统固态发酵微生物的影响及潜在的耐热机制,有助于靶向调控发酵过程、强化高温发酵等,以满足未来的工业化需求。     

中国白酒发酵过程中的核心微生物群及其与环境因子的关系

【目的】揭示白酒酿造过程复杂微生物群落中的核心微生物群(core microbiota),定量分析核心微生物群的环境调控因素。【方法】通过高通量测序揭示发酵过程中的微生物群落结构,使用气相色谱-质谱联仪(GC-MS)测定发酵过程中的挥发性化合物。采用微生物群落与挥发性化合物轮廓关联分析获得风味代谢的功能微生物群(functional microbiota);通过微生物共现性网络分析,获得群落组成中的共现微生物群(co-occurring microbiota),两类微生物群的集合即为白酒酿造的核心微生物群。利用冗余分析(redundancy analysis)和蒙特卡洛置换检验(Monte Carlo permutation test)研究每个环境因素对该核心微生物群的影响。【结果】白酒发酵过程中的核心微生物群主要包含10个属,分别是Lactobacillus、Saccharomyces、Candida、Rhizopus、Saccharomycopsis、Pichia、Dipodascus、Bacillus、Thermoascus和Lactococcus。冗余分析和蒙特卡洛置换检验表明,化学因素(还原糖和乙醇)对核心微生物群的变化比物理因素(水分、温度和酸度)具有更加重要的影响作用,此外物理-化学因素的相互作用对核心微生物群的驱动也有很大的影响。【结论】本研究揭示了白酒发酵过程中的微生物群落组成和代谢物轮廓的变化规律及其二者之间的相关关系,确立了发酵过程中的核心微生物群并量化了影响核心微生物群变化的环境因素,为实现合成微生物组生产白酒及其定向调控奠定理论基础。     

酿酒酵母与地衣芽孢杆菌相互作用及基于蛋白组学的作用机制分析

【目的】为解析酱香型白酒发酵过程中群体微生物的酿造特征,研究酱香型白酒酿造中贡献特征风味的地衣芽孢杆菌和贡献酒精的酿酒酵母之间的相互作用。【方法】通过构建酿酒酵母纯培养及与地衣芽孢杆菌共培养发酵体系,比较不同培养体系中的生物量、乙醇产量及有机酸产量差异,并从蛋白组学角度加以分析和认识二者之间的相互作用。【结果】在共培养体系中,酿酒酵母抑制地衣芽孢杆菌生长,其自身生长不受地衣芽孢杆菌的影响,然而代谢产物却发生变化,其中乙醇及有机酸中的丙酮酸、苹果酸、乳酸、琥珀酸及酒石酸的最高产量分别高出其纯培养的11.8%、56.8%、36.3%、24.3%、48.2%及27.7%,而柠檬酸的最高产量低于其纯培养的35.1%;蛋白组分析显示,地衣芽孢杆菌诱导酿酒酵母胞内69个蛋白差异表达(>2倍),质谱鉴定出24个,主要功能为参与糖酵解过程、乙醇代谢过程、细胞壁稳定性调控及应激反应等。糖酵解和乙醇代谢途径相关蛋白对酿酒酵母混合培养条件下的代谢变化起重要作用,其余蛋白可能与微生物相互作用时的防御和适应性相关。【结论】在混合培养发酵体系中地衣芽孢杆菌能够影响酿酒酵母的乙醇及有机酸代谢,这对于白酒品质调控及微生物间相互作用都具有重要意义。蛋白组学结果为从分子层面深入认识酿酒酵母与地衣芽孢杆菌之间的相互作用提供理论基础,有利于促进酱香型白酒发酵过程中群体微生物酿造特征的解析。     

纤维素乙醇生物加工过程中的抑制物对酿酒酵母的影响及应对措施

以木质纤维素为原料生产乙醇,预处理是必需的环节,这一过程中不可避免产生了多种对微生物有抑制作用的化合物,这些抑制物主要有3大类:弱酸、呋喃醛类和酚类化合物。这些化合物影响后续乙醇发酵微生物酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的生长及发酵性能,降低了乙醇的得率和产量,是木质纤维素原料大规模生产乙醇的一个主要障碍。以下介绍了3类抑制物的形成及作用机制,并介绍了应对抑制物作用、提高酵母发酵能力的措施及研究进展,包括发酵前预处理原料脱毒、通过进化工程驯化菌种或通过对抑制物耐受性相关基因的代谢工程操作提高酿酒酵母耐受性,及通过发酵过程控制减少抑制物影响等。     

甜瓜挥发性物质的释放与果实成熟和衰老的关系

挥发性物质是甜瓜果实成熟期间的代谢产物,据鉴定有46种之多。其中酯类占36种。为解决哈密瓜贮运中的腐烂问题,继前文之后,我们又研究了不同品种甜瓜果实成熟过程中乙醇、乙醛、乙酸乙酯和乙烯等挥发性物质的数量变化。     

生物电化学系统对运动发酵单胞菌代谢的影响北大核心CSCD

生物电化学系统能促进微生物与电极间的相互作用,从而改变微生物的代谢状态。本工作为研究运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)在电环境中的代谢表现,在外接3V电源的H型电化学发酵装置中测试了其发酵效能。结果表明,相比于无电压的对照,阳极甘油产量上升24%,阴极葡萄糖消耗上升16%,产物乙醇和琥珀酸的产量也分别上升13%和8%。转录组分析表明,代谢物的显著改变归因于电环境导致的有机酸代谢、氧化还原平衡、电子传递等通路的改变。从表达差异显著的基因中挑选了代表胞内氧化还原平衡、生物膜形成和电子传递的3个基因ZMO1060(编码超氧化物歧化酶)、ZMO0401(编码二鸟苷酸磷酸二酯酶)和ZMO1819(编码固氮蛋白)进行验证,结果表明过表达ZMO1060和ZMO1819能够更显著地改变生物电化学系统中Z.mobilis的代谢。本工作为应用生物电化学系统调控微生物代谢物生产提供了参考。     

胞内氧化还原水平对嗜热厌氧乙醇菌 发酵代谢的影响

辅酶NADH/NAD+在细胞内氧化还原反应中起着重要的作用,是细胞生长和能量代谢必不可少的辅因子。调节微生物胞内NADH/NAD+的比率是定向改变微生物代谢,高效获得目标代谢产物的有效手段。嗜热厌氧乙醇菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)是高温厌氧菌中乙醇产量较高的代表性菌株,本文利用不同氧化还原态的碳源改变T.ethanolicus的胞内NADH/NAD+含量和比例,进而研究了其对细胞生长、代谢产物分布的影响。以不同比例的葡萄糖/甘露醇作为混合碳源发酵,胞内氧化还原水平、细胞的生长特性、代谢产物都发生了不同程度的差异,以葡萄糖作为唯一碳源进行培养时,T.ethanolicus生长良好,乙醇产量为0.79g/L,但胞内NADH/NAD+比值和乙醇/乙酸的比值都比较低,分别为0.47和4.82;随着葡萄糖在混合碳源中比例的下降,NADH/NAD+比值增高,发酵产物中乙醇/乙酸比值也呈现上升的趋势。而以甘露醇作为唯一碳源时,发酵产物中乙醇浓度为0.389g/L,NADH/NAD+比值和乙醇/乙酸的比值分别为1.04和16.0。     

木质纤维素稀酸水解糖液乙醇发酵研究进展

以木质纤维素为原料生产燃料乙醇,首先要对原料进行预处理得到可发酵糖,在稀酸水解木质纤维素得到的糖液中,除含有葡萄糖、木糖等六碳糖和五碳糖外,根据水解温度、酸浓度和时间的不同,还含有不同浓度的发酵抑制剂。因此,在研究木质纤维素稀酸水解糖液的乙醇发酵中,对代谢木糖成乙醇的菌种的研究、对耐/代谢发酵抑制剂微生物的研究、对稀酸水解糖液的脱毒方法的研究以及对稀酸水解糖液不同发酵方式的乙醇发酵研究等非常重要。重点介绍了以上几个方面近几年研究的进展。     

不同梨品种果实有机酸含量变化与相关酶活性的研究

以梨品种‘鸭梨’、‘茌梨’和‘八里香’为试材,对不同品种果实有机酸积累及相关酶活性随发育的动态变化特征进行分析比较,探讨果实有机酸含量与相关酶活性的关系。结果表明:(1)梨果实发育过程中有机酸含量呈逐渐下降趋势,果实成熟时的总有机酸含量以‘茌梨’最高,‘鸭梨’次之,‘八里香’最低,且3品种间总酸含量差异显著。(2)果实发育后期,‘鸭梨’、‘茌梨’和‘八里香’的柠檬酸含量几乎相同,而苹果酸的含量差异显著,说明苹果酸是引起品种间总酸含量差异的主要因素。(3)在苹果酸代谢中,不同品种间NADP-ME酶活性在果实发育后期差异显著,而NAD-MDH和PEPC酶活性无显著差异,表明NADP-ME酶是引起‘鸭梨’、‘茌梨’和‘八里香’成熟果实苹果酸含量差异的主要原因。(4)不同品种的柠檬酸代谢酶CS、Cyt-ACO、Mit-ACO和NAD-IDH的活性变化趋势一致,且成熟时无显著差异,表明它们不是引起梨果实酸含量差异的主要原因。(5)梨果实发育过程中有机酸含量与相关代谢酶活性的相关性分析表明,苹果酸和柠檬酸代谢酶共同影响梨果实的酸含量水平。     

宣威火腿成熟产品中主要微生物菌相构成分析

目的 :了解宣威火腿成熟产品中的微生物菌相构成 ,探讨微生物在宣威火腿中所起的作用。方法 :采用选择性培养基对宣威火腿成熟产品中的主要微生物菌相进行分离和计数。结果 :与发酵香肠不同 ,宣威火腿中的优势菌群为葡萄球菌和微球菌、霉菌 ,它们的数量在火腿表面均达到了 10 6 CFU/ g以上 ,而乳酸菌及肠杆菌、肠球菌的数量均明显低于优势菌群 (P<0 .0 1)。结论 :耐盐性的葡萄球菌和微球菌的代谢活动以及火腿表面大量霉菌的生长是宣威火腿独特风味形成的基础。     

酿酒酵母表达系统

酿酒酵母是单细胞真核微生物,人们以酿酒酵母为宿主菌,用载体表达外源基因的过程中,积累了丰富的经验,掌握了酿酒酵母表达的许多优缺点,如它繁殖速度快,可以大规模发酵生产,但在发酵过程中会产生乙醇,而乙醇在培养基中积累会影响酵母的生长代谢和基因产物的表达,尤其是进行高密度发酵时该效应更明显;针对这些缺点,可以采取积极的应对措施.主要就酿酒酵母表达系统的组成、优缺点及高效表达的策略等作一综述.     

“组学”技术在燃料乙醇生产用酿酒酵母菌株构建中的应用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是工业乙醇生产广泛使用的微生物,构建能同时发酵戊糖以及具有优良抑制物耐受能力的高产菌株,在燃料乙醇生产技术开发中具有十分重要的地位。基因组学、蛋白组学、转录组学、代谢组学和流量组学等"组学"技术可从基因型到表现型不同层次揭示生命活动规律,在燃料乙醇生产用酵母菌株的构建中具有广阔的应用前景,特别是目标基因的识别、代谢途径的优化、代谢机理的揭示等。运用"组学"技术可使菌株构建工作更具靶向性和明确性,更加易于获得目标性状,并大大缩短育种周期。综述了"组学"技术在燃料乙醇生产用酿酒酵母菌株构建中的应用及相关研究进展。     

FaSPS1基因对草莓果实成熟调控的分子机理

该研究以草莓品种‘红颜’(Fragaria×ananassa‘Benihoppe’)为试材,分析了草莓果实发育不同阶段蔗糖磷酸合成酶基因(FaSPS1)的表达量变化,采用PCR方法克隆FaSPS1基因,构建带有报告基因的e-GFP植物表达载体,通过瞬时转基因方法转化草莓果实,采用观察绿色荧光和检测目的基因表达量的方法鉴定转基因植物,并分析FaSPS1基因超表达和反义表达后草莓果实的成熟发育以及与成熟相关的基因表达量变化,探究FaSPS1基因在果实成熟发育中的特殊作用,为深入了解草莓果实发育和成熟调控的分子机理提供思路。结果显示:(1)成功克隆得到FaSPS1基因(GenBank登录号AB267868.1);成功构建带有报告基因e-GFP的FaSPS1基因超表达载体和反义基因表达载体,通过瞬时转基因方法转化并经荧光和目的基因表达量检测的方法鉴定获得转FaSPS1基因草莓植株。(2)与空载对照和非转基因果实相比,FaSPS1基因过表达可促进草莓果实成熟,能够使草莓果实成熟期提前,且果实中蔗糖果糖含量升高;但反义表达后会抑制草莓果实成熟,果实中苹果酸含量升高。(3)基因超表达或者反义表达后,草莓果实成熟相关基因的表达量受到不同程度调控,其中糖代谢基因FaSPS2/3、FaSUT1,果实成软化基因FaEXP1、FaEXP3、FaXYL1以及激素代谢基因FaJAZ1、FaJAZ2、FaJAZ8、FaOPR3、FaPYL1、FaPYL8、FaPYL9、FaNCED1表达量变化最明显。研究推测,FaSPS1基因可能通过影响草莓果实中和成熟相关的糖代谢基因、果实软化基因以及激素代谢基因来调控草莓果实成熟。     

休哈塔假丝酵母转化木糖和葡萄糖为乙醇的发酵转录谱

[目的]探究木糖发酵典型菌株休哈塔假丝酵母在己糖和戊糖发酵中的转录谱及差异,筛选出与木糖利用和乙醇发酵代谢途径及调控相关的关键性酶和功能蛋白质基因.[方法]应用新一代高通量测序技术454 GS FLX Titanium分别构建了休哈塔假丝酵母木糖、葡萄糖发酵的cDNA文库,并进行De novo转录组的表达序列标签大规模测序和序列比较分析,进而挖掘出该酵母中参与木糖代谢和乙醇发酵的相关基因.[结果]分别对木糖和葡萄糖发酵样本进行二分之一RUN测序并各自得到60万条reads,序列平均长度400 bp.共拼接得到7250条(木糖)和7168条(葡萄糖)contigs,并利用BLAST对木糖样品和葡萄糖样品中的2421个基因(contig)和2456个基因(contig)进行了功能注释和GO分类.通过两个文库间的序列对比分析,共发现158个基因属于差异表达状态(P＜0.05).基于经典的糖酵解及乙醇发酵途径筛选出与木糖乙醇发酵相关的候选基因,并且比较分析其转录水平的差异.[结论]基于大规模转录谱测序和比较分析首次筛选出休哈塔假丝酵母中参与木糖代谢和乙醇发酵的基因群,可为后续的分子生物学及代谢调控研究提供基础数据.     

葡萄生态系统中自然微生物群落多样性及其代谢酶系统的研究现状

自然微生物是影响葡萄生理生长和葡萄酒质量的重要因素,广泛存在于葡萄和葡萄酒的生态系统中。其中,微生物的种类、数量和生长分布取决于气候、土壤、生长时期和发酵过程控制等多种因素。自然状态下,葡萄微生态系统的物种组成和代谢作用直接影响葡萄藤的健康和葡萄酒的发酵质量,并产生特定的葡萄酒风土特征。因此,本文对现有研究的葡萄园土壤、果实和葡萄酒自然发酵过程中的真菌和细菌的群落多样性和动态变化,及其代谢酶类对葡萄酒质量特性的影响进行了综述,以期通过对微生物群落的生理代谢和生态作用的全面认识,探究葡萄微生态的互作机理和代谢功能,促使微生物群落向葡萄和葡萄酒有益的方向发展,从而达到葡萄生态系统可持续、高质量发展的目的。     

食淀粉乳杆菌可促进酵母乙醇产量

正微生物生长在复杂的菌群环境中,人工合成菌群进行蔗糖乙醇发酵就是模拟真实的菌群环境。蔗糖乙醇发酵过程容易被乳酸菌污染,长时间发酵便形成稳定的菌群,一般认为乳酸菌可能与酵母竞争营养物质,其代谢产物对酵母细胞有抑制作用,因此对生产过程不利。