温度适应性驱动大曲固态发酵中微生物群落的功能多样性与水平基因转移

本研究针对高温大曲(HTD)固态发酵过程中温度适应性如何影响微生物群落组装、驯化方向及代谢特征的科学问题，通过分析仁怀、酒厂和茅源三地HTD样品的风味物质、微生物组成及水平基因转移(HGT)事件，揭示了温度应激下微生物调控机制及适应性基因转移规律。研究发现四甲基吡嗪等典型风味物质与Bacillus等优势菌属的分布呈空间相关性，证实HGT事件主要发生在高温适应性强的Bacillaceae家族中，且与系统发育关系密切的微生物类群HGT发生率最高。该成果为通过微生物驯化调控固态发酵质量提供了新见解，发表于《Bioresource Technology》。

　　

在酱香型白酒生产的核心环节中，高温大曲(HTD)固态发酵是一个依赖温度梯度的复杂生物过程。这一持续45-60天的发酵工艺，温度会经历从30°C升至65°C再回落的变化，形成独特的微生物群落和风味物质。然而，温度适应性如何塑造微生物组装格局、驱动基因水平转移(HGT)以提升发酵效率，始终是困扰研究者的关键科学问题。

来自中国的研究团队选取赤水河流域仁怀(RS)、酒厂(JS)和茅源(MY)三地的HTD样品，结合化学计量学分析和宏基因组测序技术，系统解析了温度应激下的微生物调控机制。研究采用MetaCHIP工具检测HGT事件，通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析挥发性风味物质，并构建微生物-代谢物关联网络。

HTD样品收集
在相距8-73公里的三家酒厂采集不同空间位置的HTD砖样，分层混合后获得代表性样本。

理化与酶学特性
三组HTD样品含水量均为11%，但酸度(pH 3.5-4.1)和淀粉酶活性存在显著差异，JS样品表现出最高的酯化酶活性(45.67 U/g)。

风味物质特征
鉴定出125种挥发性化合物，四甲基吡嗪、3-甲基丁酸等被确定为标志性风味物质。空间距离越近的样品，其风味谱相似度越高。

微生物群落结构
Bacillus和Kroppenstedtia为共有优势细菌属，真菌群落以Paecilomyces和Aspergillus为主。微生物β多样性分析显示，样品间距离与群落结构差异呈正相关。

HGT事件分析
MetaCHIP检测发现MY样品HGT事件最多(69组)，主要发生在耐高温的Bacillaceae家族中。系统发育分析表明，亲缘关系近的微生物类群HGT频率更高。

温度适应性关联
HGT基因显著富集于热休克蛋白合成和膜脂重构通路，证实温度应激是驱动基因转移的关键因素。部分HGT基因与吡嗪类风味物质合成途径相关。

该研究首次揭示了HTD发酵中温度适应性通过HGT塑造微生物功能多样性的分子机制。发现空间距离通过影响热量传递效率，导致微生物群落和代谢网络的分化。特别值得注意的是，高温环境选择性地促进了Bacillaceae家族内适应性基因的水平转移，这种基因交流显著增强了微生物对热应激的抵抗能力，并优化了风味代谢通路。研究成果为通过定向微生物驯化提升固态发酵效率提供了理论依据，对传统发酵食品工艺的现代化改造具有重要指导价值。