微生物网络视角下的烟草陈化调控：睾丸微杆菌通过招募核心类群促进多糖降解的机制与意义

《Advanced Biotechnology》：Microbacterium testaceum facilitates polysaccharide decomposition during post-harvest aging of tobacco leaves by recruiting keystone bacterial taxa

本研究针对烟草陈化过程中多糖降解机制不清、缺乏长期动态追踪的难题，系统探讨了外源添加睾丸微杆菌（Microbacterium testaceum）对烟草微生物群落结构、分子生态网络及多糖降解的长期影响。通过36个月的跟踪实验，发现该功能菌通过提升微生物多样性、增强网络复杂性及竞争性互作，招募德尔夫特菌属（Delftia）和变形菌属（Proteus）等核心功能微生物，显著加速淀粉、果胶、纤维素和半纤维素的降解。该研究为功能微生物调控烟草品质提供了理论依据，并为微生物互作驱动农业废弃物资源化利用提供了新思路。

　　

在烟草工业中，陈化是提升烟叶品质的关键环节，其本质是在特定温湿度条件下，由烟叶表面及环境微生物驱动的一系列物理化学动态过程。然而，陈化周期长（通常需12个月以上）、多糖类大分子（如淀粉、果胶、纤维素和半纤维素）降解缓慢等问题，严重制约了烟草品质的均一性与提升效率。尽管添加产酶功能菌株已成为缩短陈化周期、优化烟草感官品质的重要生物技术策略，但外源菌剂如何调控烟草内生微生物群落结构、驱动多糖降解的机制，尤其在长达数年的陈化时间尺度下，仍缺乏系统研究。

针对上述问题，胡益超等人发表在《Advanced Biotechnology》的研究，以能同时产淀粉酶、果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶的睾丸微杆菌（Microbacterium testaceumNo. 2）为外源功能菌，设计了为期36个月的烟草陈化追踪实验，系统解析了外源菌剂对多糖降解模式、微生物群落结构、多样性及分子生态网络的影响。研究发现，外源添加睾丸微杆菌显著加速了多糖的降解，其中淀粉在2–6个月陈化阶段的降解速率最高（17.4%），果胶在6–36个月阶段的降解速率达45.46%。更重要的是，该菌通过提升细菌多样性与丰富度、增强网络复杂性与竞争性互作，并招募德尔夫特菌属（Delftia）和变形菌属（Proteus）等核心功能微生物，形成了协同降解多糖的功能联盟。

本研究的关键技术方法包括：以单品种K326 B2F级烟叶为材料，在湖南浏阳洞库进行自然陈化；设置无菌水对照（CK）与睾丸微杆菌发酵液处理（T）组，分别于陈化3小时、2个月、6个月和36个月取样；采用连续流动分析法测定烟叶化学组分，试剂盒法量化多糖含量；通过16S rRNA基因V5–V7区扩增与Illumina NovaSeq测序分析细菌群落；基于随机矩阵理论构建分子生态网络，识别核心功能微生物（关键类群）；利用随机森林（Random Forest）和Mantel检验等多变量统计方法解析微生物与多糖含量的关联。

3.1 外源功能菌驱动多糖降解与烟草品质提升

外源添加睾丸微杆菌显著降低了烟叶中果胶、淀粉、纤维素和半纤维素的含量。与对照相比，处理组在各时间点的多糖降解率均更高，尤其在陈化中后期（6–36个月）果胶降解效果最为突出。同时，烟碱、总氮等化学组分保持稳定，而钾含量、糖碱比等指标显著优化，表明外源菌在加速大分子降解的同时未破坏烟草化学平衡。

3.2 功能菌引入重构微生物群落结构与多样性

α多样性分析显示，睾丸微杆菌的添加显著提高了细菌群落的丰富度（Chao1、Richness指数）和多样性（Shannon、Simpson指数），且在陈化中后期（2–36个月）效果尤为明显。主坐标分析（PCoA）进一步证实，外源菌处理显著改变了细菌群落结构，促进了变形菌门（Proteobacteria）等具有降解功能的菌群富集。

3.3 功能菌增强生态系统复杂性与竞争机制

分子生态网络分析表明，睾丸微杆菌的添加增加了网络总节点数、平均聚类系数和负相关性链接比例，说明其增强了微生物网络的复杂性和细菌间的竞争性互作。这种竞争关系可能促进微生物对烟草微环境中营养资源的争夺，从而加速多糖消耗与降解。

3.4 功能菌招募核心微生物类群形成多糖降解功能联盟

网络Zi–Pi分析识别出21个（对照）和32个（处理）关键类群（keystone taxa），其中睾丸微杆菌处理组的核心功能微生物数量显著增加。随机森林模型与相关性分析显示，德尔夫特菌属（Delftia）和变形菌属（Proteus）与淀粉、纤维素含量呈显著负相关，表明这些核心类群在外源菌驱动的多糖降解中发挥枢纽作用。

本研究通过长达36个月的动态追踪，揭示了外源睾丸微杆菌通过调控烟草微生物群落结构、增强网络稳定性与竞争机制，并招募核心功能类群，协同驱动多糖降解的生态学机制。这不仅为功能微生物在烟草工业中的应用提供了理论依据，也为利用微生物互作调控农业废弃物降解、提升农产品品质提供了新范式。未来研究可进一步解析睾丸微杆菌与核心类群间的信号分子互作机制，并通过代谢组学鉴定关键代谢物，深化对微生物招募过程的认知。