新疆甜菜采后腐烂过程中微生物群落演替驱动机制及其对品质调控的研究

本研究针对甜菜贮藏期间因微生物群落演替导致糖分损失这一产业难题，通过16S/ITS测序技术解析了新疆博乐（BL）和焉耆（YQ）两地甜菜贮藏过程中的微生物动态变化。研究发现Leuconostoc、Pantoea、Guehomyces等为核心腐败微生物，温度是驱动群落演替的主要环境因子，而微生物互作通过代谢协作加速品质劣变。该研究为通过调控核心微生物实现甜菜贮藏品质精准控制提供了新策略。

　　

在温带地区，甜菜是制糖工业的重要原料，但采后贮藏过程中由微生物引起的腐烂会导致严重的糖分损失，对制糖业造成显著经济影响。中国新疆地区作为甜菜主产区，占全国总产量的51.74%，由于糖厂加工能力有限，甜菜采收后通常需要在露天堆放长达45天。甜菜本身的高含水量和高糖分特性，加上机械化采收造成的表面损伤，为微生物 colonization（定殖）提供了理想条件。尽管欧洲研究已报道甜菜贮藏期间微生物群落的动态变化，但由于中国与欧洲在地理环境和气候条件上的巨大差异，其研究结论并不能直接适用于中国地区。目前，国内针对甜菜贮藏过程中微生物群落演替规律的研究仍相对有限。

微生物群落的演替主要受两个关键因素驱动：微生物间的相互作用以及微生物对环境条件的适应能力。现有研究多聚焦于环境因子如何驱动这种演替，但较少关注微生物互作的影响，尤其是对非发酵食品体系的研究更为缺乏。甜菜贮藏过程作为一个多种微生物共存的动态生态系统，各种微生物间的相互作用必然会影响微生物组成乃至甜菜品质。因此，从微生物互作和环境因子双视角全面探究甜菜贮藏过程中微生物群落演替的影响因素与机制，对于有效控制甜菜贮藏品质具有重要意义。

在此背景下，研究人员在《LWT》发表论文，旨在监测甜菜贮藏过程中微生物多样性和丰度的动态变化，探究外部环境条件和微生物相互作用如何影响群落演替，并鉴定不同贮藏时间点与品质变化相关的关键微生物。

为达成研究目标，作者运用了多项关键技术方法：首先，从新疆博乐（BL）和焉耆（YQ）两个产地的甜菜贮藏堆中，按外层（0-0.5m）、中层（0.5-1.0m）和内层（>1.0m）进行分层采样，时间点覆盖贮藏0、15、30、37和44天。使用Illumina NovaSeq6000平台对样品的细菌16S rRNA基因V4区和真菌ITS区域进行测序，数据经QIIME2处理，细菌分类参照SILVA数据库（v138），真菌分类参照UNITE数据库（v8.0）。同时，系统监测了堆体周围的温度、湿度和风速等环境参数，并测定了甜菜的蔗糖、葡萄糖、果糖、总糖、水分和硬度等理化指标。采用方差分解分析（VPA）量化了环境因子对微生物演替的贡献度，通过共现网络分析（Co-occurrence network）评估微生物互作在群落组装中的作用，使用Mantel检验分析核心微生物与品质指标的相关性，并通过冗余分析（RDA）揭示核心微生物与品质指标的关系。

研究结果揭示了甜菜贮藏过程中微生物群落的动态演替规律及其驱动机制：

3.1. 贮藏期间理化参数的变化

蔗糖含量在BL和YQ甜菜中均呈现下降趋势，BL甜菜从初始13.97%降至11.28%（总下降19.26%），YQ甜菜从13.5%最终下降19.56%。还原糖（葡萄糖和果糖）含量则逐渐增加，BL和YQ的葡萄糖含量分别增加27%和22.4%，果糖含量分别增加至13.9%和29.6%。总糖、硬度和水分含量也均呈现逐渐降低趋势。

3.2. 甜菜贮藏期间微生物群落演替特征

3.2.1. 细菌群落演替特征

细菌多样性分析显示，BL的细菌多样性在时间点1（15天）急剧下降，而YQ的细菌多样性在时间点3（37天）达到最低值。在门水平上，BL的优势菌门为Proteobacteria（变形菌门，46.44%～53.60%）和Firmicutes（厚壁菌门，8.32%～39.62%），YQ的优势菌门始终为Firmicutes（37.03%～81.98%）。属水平上，BL贮藏初期以Pantoea（泛菌属，13.6%）为主，YQ初期以Bacillus（芽孢杆菌属，21.1%）和Exiguobacterium（微小杆菌属，13.1%）为主。随后，两地甜菜中Pantoea和Leuconostoc（明串珠菌属）丰度均显著增加，在BL第15天达到峰值（87.5%），在YQ第30天达到峰值。贮藏末期，YQ的Leuconostoc和Pantoea丰度下降，Lactiplantbacillus（乳酸植杆菌属，77.3%）成为优势菌；而BL则以Leuconostoc和Pantoea为主。PCoA和ANOSIM分析表明，细菌群落组成存在明显的时间演替（R=0.486, P=0.001），贮藏时间对细菌群落的影响大于地理位置。

3.2.2. 真菌群落演替特征

真菌群落的丰富度和多样性指数先下降后上升，在时间点2（30天）达到最低点。在门水平上，Ascomycetes（子囊菌门）是最优势门，占总真菌类群的90%以上。属水平上，BL贮藏初期的真菌主要包括Aspergillus（曲霉属，28.8%）和Guehomyces（28.8%），随着贮藏进行，Guehomyces丰度先增后减，而Cryptococcus（隐球菌属）和Wickerhamomyces（威克汉姆酵母属）持续增加，在44天时分别占据17.7%和22.6%的优势地位。YQ初期的真菌以Monographella（21.7%）和Verticillium（轮枝菌属，13.1%）为主，贮藏期间Cryptococcus先增后减，在时间点2达到峰值，44天后优势真菌变为Williopsis（45.6%）和Cyberlindnera（29.5%）。与细菌不同的是，真菌群落组成受地理位置的影响（R=0.315, P=0.001）比贮藏时间更显著。

3.3. 微生物群落演替的驱动因素

3.3.1. 微生物互作驱动微生物群落演替

细菌-细菌共现网络中正相关是主要相互作用形式。BL和YQ的细菌网络分别由7和6个模块组成。Shewanella（希瓦氏菌属）、Shinella（ Shinella属）和Methylotenera（甲基嗜酸菌属）具有最高的度值、接近中心性和介数中心性，被确定为关键细菌。真菌-真菌共现网络中正相关也多于负相关。BL网络节点聚类为3个模块，Rhiropus、Cryptococcus、Rhodosporidium、Malassezia（马拉色菌属）、Candida（念珠菌属）和Guehomyces被确定为焦点类群。YQ网络由7个模块组成，Thermomyces、Schizophylum、Mortierella（被孢霉属）、Cyberlindnera、Pyrenochaeta、llyonectria和Clonostachy被认为是关键类群。细菌-真菌共现网络中正相关比例也显著高于负相关。在BL中，核心细菌均与Rhodosporidium和Malassezia呈正相关；在YQ中，Pyrenochaetea和llyonectria与Shinella和Methylotenera显著正相关。最终，共现网络筛选出3个细菌和19个真菌作为BL和YQ甜菜贮藏期间的核心微生物。

3.3.2. 环境因子驱动微生物群落演替

VPA分析显示，所有环境因子对细菌和真菌群落的解释度分别为43%和32%，其中温度对细菌（21%）和真菌（12%）群落演替的影响最大。

3.4. 核心微生物组与甜菜特性的关系

Mantel检验显示，核心微生物与蔗糖、葡萄糖、果糖、水分、硬度和总糖含量显著相关（p<0.05）。核心细菌与蔗糖、总糖和硬度显著相关，其中两地糖厂的Shewanella和Methylotenera与这三者均呈正相关。两地糖厂的核心真菌与葡萄糖含量的相关性相反，BL的真菌多数与葡萄糖呈显著负相关，而YQ的真菌多数呈正相关。RDA分析前两轴分别解释了BL和YQ核心微生物与甜菜品质之间69.36%和61.46%的相关性。蔗糖含量与果糖和葡萄糖含量呈负相关。两地的核心微生物主要集中在时间点0和4，时间点1到3只有Guehomyces和llyonectria存在。时间点0的核心微生物影响甜菜的蔗糖、总糖和水分，而时间点4的核心微生物影响果糖和蔗糖含量。

研究表明，新疆甜菜贮藏过程中微生物群落发生了显著演替。Pantoea和Leuconostoc是两地贮藏期间持续存在且高丰度的细菌。Leuconostoc分泌细胞壁降解酶，破坏甜菜细胞壁，降低其防御能力，同时创造酸性环境导致细胞膜脱水和蛋白质变性，这可能是甜菜贮藏过程中组织软化的原因。Pantoea的III型分泌系统介导致病性和体内致病质粒，可能促进甜菜腐败。真菌群落演替在YQ和BL因地理因素差异较大，但Guehomyces在两地均达到最高丰度，其通过产生脂肪酶和果胶酶破坏甜菜细胞结构。与欧洲研究相比，新疆甜菜中Guehomyces、Candida和Cryptococcus的突出地位与中欧观察一致，但YQ后期Lactiplantbacillus的高丰度和Penicillium的显著存在与欧洲微生物组不同，表明核心腐败机制在各大洲间可能保守，但具体的演替轨迹和关键类群可能表现出地理特异性。

微生物互作通过促进相同功能微生物的生长来驱动群落演替。Shewanella缺乏糖酵解关键酶，难以代谢糖底物，而Shinella和Methylotenera可能拥有Shewanella缺乏的糖酵解酶编码基因，这种互补代谢能力可能是观察到正相关的基础。Candida、Cryptococcus和Malassezia的相互作用可能增强BL真菌群落的致病性。在真菌-细菌网络中，核心细菌和核心真菌的正相关可能与它们的代谢协作有关：核心真菌分解更复杂的有机物，细菌利用真菌代谢物生长，彼此提供合适的碳源和营养。

环境因子中，温度对微生物生长和活性有最直接的影响，是驱动微生物群落演替的主要非生物因子。值得注意的是，VPA表明测量的环境变量仅解释了微生物群落组成总变异的37-39%，约61-63%的变异未能解释，表明未测量的因素（如堆内局部氧气梯度、pH变化、水分分布或差异气体扩散）可能做出重要贡献。

甜菜品质受到核心微生物的显著影响。蔗糖代谢为维持甜菜贮藏期间的生理状态提供营养，这是甜菜采收后蔗糖含量不可避免下降的原因。同时，核心微生物体内可能具有蔗糖转化酶，促进蔗糖转化为葡萄糖和果糖，进一步降低蔗糖含量。采收后甜菜的高含水量为微生物定殖和生长提供了条件，增加了贮藏期间腐烂的机会。

功能预测表明，核心微生物主要通过淀粉和蔗糖代谢、磷酸转移酶系统和蔗糖降解途径降低蔗糖含量。核心真菌和细菌通过不同途径协同降低甜菜关键品质。群体感应、抗生素代谢合成和双组分系统是核心细菌引起甜菜腐败的主要途径。群体感应由核心细菌产生的自诱导物触发，招募大量微生物，同时促进毒力因子和生物膜的产生。双组分系统用于检测腐败产生的信号物质，进而调节抗生素合成相关基因的表达。这一过程需要核心真菌通过乙醛酸循环、TCA循环和糖酵解过程产生的ATP。这可能是真菌-细菌分工促进甜菜腐败的一种方式。

本研究阐明了新疆地区甜菜贮藏过程中腐败的发生情况，揭示了微生物互作和环境因子对细菌和真菌群落动态演替的影响。BL和YQ的细菌群落在时间影响下呈现趋同演替模式，而真菌群落因地理因素表现出明显分化。共现网络分析显示，BL和YQ的微生物互作主要呈现正相关，核心微生物显著影响群落演替。温度是主导这些演替动态的主要非生物因子。重要的是，贮藏早期是微生物活动导致蔗糖损失的关键窗口期。这些发现为制定有针对性的贮藏管理策略提供了理论基础，通过全面调控贮藏持续时间、优化贮藏环境参数以及处理核心微生物间的相互作用关系，可以创新防治策略，减轻制糖业中甜菜采后质量损失。