时间序列转录组解析优势菌株生存策略及其对共培养中聚羟基脂肪酸酯合成的调控机制

本研究针对混合菌群中种间互作如何影响聚羟基脂肪酸酯(PHA)产量及单体组成的科学问题，通过共培养优势菌株Paracoccus shandongensis wg2与Brevundimonas diminuta R79，结合时间序列转录组分析，揭示底物竞争下acs/phaC基因上调促进乙酸同化，而混合碳源中prpE/aspC通路激活推动3-羟基戊酸(3HV)比例提升至31.2%，为理性设计PHA合成菌群提供新策略。

　　

在塑料污染治理的全球背景下，可生物降解材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)因其环境友好特性成为研究热点。然而，传统单一菌种发酵存在产物单一、转化效率低等问题，而混合菌群虽能提升PHA多样性，但种间互作机制不清。尤其当优势菌株共存时，如何通过代谢调控优化PHA产量与单体组成，成为制约产业化的关键瓶颈。

山东省某研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究，创新性地选取活性污泥驯化获得的优势菌株——乙酸高效利用菌Paracoccus shandongensis wg2和丙酸非代谢菌Brevundimonas diminuta R79，通过时间序列转录组技术解析三种碳源(乙酸、丙酸及混合碳源)条件下单培养与共培养的差异。研究采用OD₆₀₀生长曲线监测、气相色谱测定PHA含量、RNA-Seq分析基因表达等关键技术，结合中国典型培养物保藏中心(CCTCC)保藏的菌株资源(编号AB 2019401??T/M 2022946)，系统揭示了种间互作对PHA合成的调控网络。

碳源偏好性对生长与PHA组成的影响
在乙酸单培养中，wg2表现出最优生长(OD₆₀₀=18.94)和最高PHA积累，但共培养时因R79竞争导致产量下降。而在丙酸体系中，R79虽不能直接代谢丙酸，但其存在使wg2的3HV比例提升31.2%，表明R79通过缓解丙酸毒性和激活wg2的prpE(丙酰辅酶A合成酶)通路促进丙酸转化。

R79在丙酸体系中的微环境调控作用
转录组显示共培养显著上调wg2的aspC(天冬氨酸转氨酶)和leuA(异丙基苹果酸合成酶)表达，这些基因参与支链氨基酸合成，可能通过缓解丙酸代谢压力间接提升3HV产量。在混合碳源组，共培养使PHBV(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸共聚物)中3HV占比达24.7%，较单培养提高1.8倍。

代谢通路动态调控机制
乙酸条件下，wg2的acs(乙酰辅酶A合成酶)和phaC(PHA合酶)基因表达量增加2.1倍；而丙酸环境中，共培养诱导wg2的丙酸代谢相关基因表达量提升3.4倍，证实R79通过"代谢分工"策略促使wg2转向丙酸利用。

该研究首次阐明优势菌株通过"竞争-协作"双重互作调控PHA合成的分子机制：在碳源受限时表现为竞争抑制，而在混合碳源中则形成代谢互补。这不仅为理解微生物群落的生态位分化提供新视角，更通过设计Paracoccus-Brevundimonas功能模块，证明定向调控3HV含量的可行性。研究成果对开发低成本、高性能的生物塑料生产工艺具有重要指导价值，也为复杂菌群的功能预测与精准调控提供了范式。