异常威克汉姆酵母提升全株甜高粱青贮品质的新策略：基于微生物组与代谢组的植物乳杆菌对比研究

《Environmental Technology & Innovation》：Novel strategy to improve the ensiling quality of whole-plant sweet sorghum inoculated with Pichia anomala: Comparison with conventional Lactobacillus plantarum by microbiome and metabolome

本研究针对甜高粱季节性收获与高水分特性导致的储存难题，创新性地利用异常威克汉姆酵母（Pichia anomala, PA）作为青贮接种剂，通过与常规植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum, LP）对比，系统揭示了PA通过调控微生物群落结构、重塑代谢谱（如提升乙酸/丙酸含量、富集β-D-半乳糖等关键代谢物），并驱动碳代谢与辅因子供应协同机制，显著提升青贮发酵品质与营养保存效率，为青贮微生物添加剂开发提供了全新视角。

　　

甜高粱作为一种具有高光效、高生物量特性的C4植物，在生物能源、动物饲料和制糖工业中展现出巨大应用潜力。然而，其季节性收获特征和高水分含量给长期储存带来严峻挑战，易导致营养损失和品质劣变。青贮技术通过微生物发酵保存新鲜作物，是实现甜高粱资源高效利用的关键方式。传统青贮添加剂多以同型发酵乳酸菌（如植物乳杆菌Lactobacillus plantarum, LP）为主，通过快速产酸降低pH值抑制有害微生物，但其对功能性代谢谱的调控机制及微生物协同作用尚缺乏深入探索。近年来，非酿酒酵母如异常威克汉姆酵母（Pichia anomala, PA）因其广谱抗菌特性（如分泌杀菌因子和β-葡萄糖苷酶）和与乳酸菌的共生关系（如维生素互供），逐渐成为青贮研究的新焦点，但其作为主要接种剂的潜力及作用机制仍未被充分发掘。

为此，研究人员在《Environmental Technology》上发表研究，通过整合单分子实时（SMRT）测序和非靶向代谢组学技术，系统比较了LP和PA接种对全株甜高粱青贮发酵特性、微生物群落和代谢谱的影响，旨在揭示PA改善青贮品质的多组学机制，为开发新型青贮接种剂提供理论依据。

研究采用的关键技术方法包括：1）青贮制备与发酵特性分析：将甜高粱切段后分别接种LP、PA或蒸馏水（对照组，CK），真空密封保存14天，测定pH、有机酸（如乳酸LA、乙酸AA、丙酸PPA）、氨氮（AN）等指标；2）微生物组分析：基于SMRT测序平台对16S rRNA全长基因进行测序，解析细菌群落结构和多样性；3）代谢组学分析：利用液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术进行非靶向代谢物检测，结合多元统计（如OPLS-DA）筛选差异代谢物；4）多组学整合：通过冗余分析（RDA）、结构方程模型（SEM）等探究微生物-代谢物-青贮特性的互作关系。样本来源于中国科学院近代物理研究所试验田栽培的KFJT1品种甜高粱。

3.1. 新鲜与青贮甜高粱的特性

青贮后，LP和PA处理均显著降低pH值（<4.10）并提升LA含量，其中PA青贮的AA（40.24 g/kg DM）和PPA（1.20 g/kg DM）水平显著高于LP。PA青贮还表现出更高的水溶性碳水化合物（WSC）保存能力和更低的纤维成分（如NDF、ADF），表明PA能有效抑制有害微生物并促进结构碳水化合物降解。隶属函数综合评价显示PA青贮品质最优（PA > LP > CK）。

3.2. 青贮期间细菌多样性

α多样性分析表明，LP和PA接种降低了细菌群落丰富度和多样性，但促进了乳酸菌主导的群落演替。主成分分析（PCA）显示LP和PA青贮微生物结构相似，且与CK显著分离。

3.3. 细菌组成分析

在门水平，青贮后变形菌门（Proteobacteria）丰度下降，厚壁菌门（Firmicutes）成为优势菌门（PA中占56.9%）。属水平上，PA青贮中乳酸杆菌（Lactobacillus）相对丰度最高（45.57%），且有害菌（如Pantoea、Klebsiella）显著抑制。物种网络分析揭示Lactobacillus_brevis与有益菌（如Leuconostoc_mesenteroides）正相关，与腐败菌负相关。

3.4. 代谢物分类与差异分析

共鉴定852种代谢物，主要涉及脂质、有机酸和苯丙素类。火山图和VIP分析发现，与CK相比，PA青贮有141种差异代谢物（108种下调，33种上调），包括β-D-半乳糖、生物素等关键上调物。LP青贮则富集氮代谢相关物（如L-脯氨酸）。

3.5. 代谢通路富集

KEGG分析表明，LP青贮主要调控氨基酰-tRNA生物合成和植物次生代谢，PA青贮则显著影响嘧啶代谢、核黄素代谢和脂肪酸生物合成通路，凸显其碳代谢优化和辅因子供应优势。

3.6. 多组学关联分析

RDA和Mantel检验证实，乳酸菌与LA、AA正相关，而与pH、AN负相关。SEM模型解释64.3%的青贮品质变异，表明微生物群落与代谢物协同驱动发酵进程。PA通过提供碳源（如β-D-半乳糖）、维生素（如生物素）和抗菌代谢物（月桂酸、棕榈油酸）构建了更高效的发酵微环境。

研究结论表明，PA通过独特的多机制协同作用—包括促进乳酸菌增殖、供应关键代谢底物（如碳源和辅因子）、分泌抗菌化合物（如丙酸和杀手毒素）以及优化碳氮代谢网络—显著提升青贮品质。与LP依赖快速酸化的策略不同，PA创造了更稳定的微生物共生体系，有效抑制腐败菌并保留营养成分。该研究不仅首次系统揭示了PA作为青贮接种剂的代谢调控机制，还为开发酵母-细菌复合添加剂提供了创新思路，对促进青贮饲料的可持续生产和农业资源高效利用具有重要意义。