解码产香细菌Klebsiella variicola H8在重组烟草叶浓缩物发酵中的动态转录机制及香气合成作用

这篇研究采用宏转录组学（macrotranscriptomics）技术解析了产香菌株Klebsiella variicola H8在重组烟草叶浓缩物（RTLC）发酵中的功能机制。研究发现该菌通过上调糖苷水解酶（GH78、GH1325等）促进非挥发性香气前体（NAECs）释放，如β-紫罗兰酮（13.24 μg/g）和苯乙醇（7.12 μg/g），同时与乳酸菌（Lactobacillus）等微生物协同调控发酵进程。研究为优化烟草感官品质提供了微生物组和酶学层面的理论依据。

　　

1 引言

烟草（Nicotiana tabacum）含约5000种化合物，其中许多具有药理活性。微生物发酵能高效转化底物并提升香气，在食品和烟草工业中应用广泛。例如，K. variicola H8发酵可使重组烟草叶浓缩物（RTLC）的尼古丁降低25%，同时增加中性香气化合物（NAECs）如二氢猕猴桃内酯（192.86%）和芳樟醇（50%）。这些化合物具有抗炎、抗菌等活性，如二氢猕猴桃内酯（DHKL）展现抗癌特性，而2,4-二叔丁基苯酚（DTBP）具有抗氧化功能。

2 材料与方法

研究采用Illumina NovaSeq/HiSeq平台对RTLC发酵5个时间点（0-36小时）进行宏转录组测序，结合GC-MS分析NAECs和尼古丁变化。通过QIIME2和CAZy数据库注释微生物群落及碳水化合物活性酶（GH、GT等），并利用R语言进行差异基因表达分析。

3 结果与讨论

3.1 NAECs合成与尼古丁降解的最佳时间窗口

GC-MS显示，24小时发酵时NAECs（如2-乙酰吡咯和苯甲醇）产量达峰值，尼古丁显著降低。此阶段避免了烟草特有亚硝胺（TSNAs）的生成，与先前发现的微生物尼古丁代谢途径（如Paenarthrobacter nicotinovorans的降解机制）一致。

3.2 发酵过程中微生物群落动态

宏转录组分析揭示，K. variicola H8的转录丰度在16小时升至14.78%，与乳酸菌（Lactobacillus farraginis）和酵母（Debaryomyces hansenii）形成共生关系。36小时后，酸耐受菌（如L. pobuzihii）成为主导，而大肠杆菌（Escherichia coli）因资源竞争被淘汰。

3.3 微生物与化学成分的关联

K. variicola H8与可溶性糖降解强相关（R²=0.85），而Acinetobacter baumannii与尼古丁负相关，暗示其降解潜力。乳酸菌（L. acidipiscis）则通过糖代谢促进有机酸生成。

3.4 糖苷水解酶（GH）的关键作用

CAZy分析显示，GH家族（如GH78和GH31）在36小时表达上调4.2倍，直接关联β-紫罗兰酮和芳樟醇的释放。类似机制见于Debaryomyces hansenii发酵茶叶中的多糖降解。

3.5 GH酶与NAECs的分子关联

热图分析表明，GH78与甜香化合物巨豆三烯酮（megastigmatrienone）呈强正相关，而GH31可能通过水解萜苷释放游离香气。相反，GH31与维生素A的负相关提示其底物竞争性消耗。

4 结论

K. variicola H8通过调控GH酶和微生物互作驱动RTLC香气形成，24小时为发酵优化节点。后续应激基因（如凋亡相关基因）的激活提示需控制发酵时长以避免品质下降。该研究为靶向微生物改造提升烟草品质提供了理论框架。