《Bioresource Technology》：Substrate-mediated spatial cooperation in
Bacillus-
Saccharomyces consortia enhance starch hydrolysis and flavor formation during solid-state fermentation
编辑推荐：
•芽孢杆菌-酿酒酵母演替驱动大曲中的阶段特异性代谢。•荧光菌群揭示淀粉强烈调节空间合作。•IPTG 诱导的α-淀粉酶控制淀粉水解和菌群组织。•IBM 结果将底物驱动的代谢相互作用与空间合作联系起来。•合成菌群促进淀粉转化、风味形成，重塑微生物组。引言固态发酵（SSF）因其低水
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芽孢杆菌-酿酒酵母演替驱动大曲中的阶段特异性代谢。
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荧光菌群揭示淀粉强烈调节空间合作。
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IPTG 诱导的α-淀粉酶控制淀粉水解和菌群组织。
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IBM 结果将底物驱动的代谢相互作用与空间合作联系起来。
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合成菌群促进淀粉转化、风味形成，重塑微生物组。
引言
固态发酵（SSF）因其低水需求、高产品浓度以及类似于自然微生物栖息地（Ghoreishi 等，2024）的特点，被广泛应用于传统发酵食品（Luo 等，2024）、工业酶（Khaswal 等，2024）、生物燃料及其他高附加值生化物质（Dai 等，2025）的生产中。与液态发酵相比，SSF 在淀粉农业底物的转化方面具有特别优势，并已在中国白酒的大曲（Wu 等，2025b）、日本的米曲（Canoy 等，2024）和印尼的天贝（Zhang 等，2022）等传统亚洲发酵中得到了广泛利用。尽管应用广泛，但由于固体底物的空间异质性和微生物种群的动态演替，SSF 的理性控制仍然困难。
在 SSF 系统中，微生物在具有有限水分活度、受限扩散以及营养物质、代谢物和氧气陡峭梯度的固体底物上或内部生长（Luo 等，2024，Wu 等，2025a）。这些特征从根本上将 SSF 与混合良好的液态发酵区分开来，并产生了塑造微生物生长、代谢和种间相互作用的局部生态位（El Sheikha & Ray, 2023）。在这些空间结构化的环境中，微生物通常表现出代谢劳动分工，即不同种群专门从事聚合物水解（Bao 等，2023）、单体摄取（Schaerer 等，2023）和产物合成（Li 等，2022）等互补功能。这种功能分化可以通过协调资源利用和降低单种群水平的代谢负担来提高整体群落性能（Sch?fer 等，2023）。尽管代谢劳动分工已被广泛记录，但它通常被视为一种涌现的群落特性，而底物特性如何调节空间组织并随后驱动合作代谢的生态机制在很大程度上仍未解决。然而，空间组织化的代谢相互作用如何共同调节 SSF 中的底物转化和产物形成仍然知之甚少。
大曲发酵作为中国白酒的传统制曲工艺，为研究 SSF 中的微生物相互作用提供了极好的模型（Luo 等，2025，Wu 等，2025b）。大曲是通过小麦砖块的自发发酵生产的，包含多样化的细菌、酵母和丝状真菌种群（Tang 等，2025）。这些微生物合作贡献于淀粉降解、乙醇形成和风味发展，反映了在空间异质条件下清晰的代谢功能分工（Xiao 等，2017，Xing 等，2025）。先前的研究已经表征了大曲的微生物组成、演替模式、酶活性和代谢物谱，并确定了如芽孢杆菌、乳酸菌和酿酒酵母等关键功能分类群（Luo 等，2024，Ma 等，2022，Wu 等，2023a）。此外，合成微生物菌群已被用于模拟大曲发酵的某些方面并解析特定的代谢相互作用（Wu 等，2024）。然而，空间结构化的微生物相互作用在控制发酵性能中的作用在很大程度上仍未被探索。
合成生物学和微生物成像的最新进展使得在受控条件下构建定义菌群以探测种间相互作用成为可能（Clutton-Bock and Sheldon, 2010, Wang 等，2025）。与此同时，基于个体的模型（IBM）已成为一种强大的工具，用于将微尺度细胞行为与涌现的群落水平特性联系起来，包括空间自组织和代谢交叉喂养（Wu 等，2026）。然而，由于在不透明底物中解析微生物空间动态的困难，IBM 预测在真实 SSF 相关系统中的验证仍然有限。因此，需要一种结合实验和建模的框架来阐明底物可用性如何影响空间组织、代谢合作和发酵结果。
在本研究中，以大曲发酵作为模型固态发酵系统，研究了合成芽孢杆菌-酿酒酵母菌群中的底物驱动空间相互作用。我们建立了一个底物介导的空间合作框架，明确地将底物可用性、空间组织、代谢劳动分工和发酵性能在多个生物尺度上联系起来。对时间转录组学、荧光共培养成像、可调节α-淀粉酶表达和基于个体的建模的综合分析表明，底物可用性控制着芽孢杆菌和酿酒酵母之间的代谢演替、空间组织和合作功能。此外，通过将淀粉降解的可编程控制与实验验证的 IBM 模拟相结合，我们开发了一个用于解析和工程化空间结构化的微生物菌群的预测性实验 - 计算框架。合成菌群进一步改善了大曲发酵中的淀粉利用和风味形成，同时有益地调节了土著微生物群。综上所述，这些结果既提供了机制又提供了预测框架，用于食品相关固态发酵中微生物菌群的理性设计。
章节摘要
大曲样品采集与理化表征
大曲样品取自中国江苏省一家代表性的浓香型白酒酿酒厂，在发酵过程的七个特征阶段（0、3、7、13、17、23 和 33 天）采集，覆盖了大曲发酵的初始、升温、高温和成熟阶段。为确保采样的代表性，在每个时间点从发酵堆内的多个位置随机采集样品。对于每种大曲类型，三个生物学
芽孢杆菌和酿酒酵母在大曲发酵过程中建立酶解能力和发酵潜能的功能特异性
在大曲固态发酵中，发酵性能由环境条件、微生物演替和酶活性塑造（Tang 等，2025）。理化参数显示出不同的时间模式，与微生物演替和功能活性相平行（图 1A）。发酵温度急剧上升，在第 17 天达到约 55 °C，表明与微生物代谢 intensification 相关的强烈产热反应。酸度上升
结论
本研究建立了一个底物介导的空间合作框架，解释了底物可用性如何驱动芽孢杆菌-酿酒酵母模型菌群在大曲类似淀粉基固态发酵系统中的空间组织、代谢劳动分工和发酵性能。通过整合时间转录组学、荧光共培养成像、淀粉降解的可编程控制以及实验验证的基于个体的建模，我们进一步开发了
CRediT 作者贡献声明
吴黎明：写作 - 原稿，可视化，验证，方法论，形式分析，概念化。葛一同：写作 - 原稿，方法论，调查，形式分析。彭子昌：可视化，验证。韩子男：写作 - 原稿，方法论，概念化。白佳奇：可视化，验证，方法论。蓝婷：方法论，形式分析。张振超：写作 - 审查与编辑，验证。梁富浩：可视化，验证，
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本报告中所述工作的客观性。
致谢
我们感谢国家重点研发计划（2023YFF1103701）、江苏省基础研究计划（BK20252085，BK20251603）以及贵州茅台酒厂（集团）有限责任公司科技研究项目（MTGF2026015）的资助。
吴黎明 | 葛一同 | 彭子昌 | 韩子男 | 白佳奇 | 蓝婷 | 张振超 | 梁富浩 | 夏晓乐
