转录组噪声揭示奶酪发酵共菌群的关键功能依赖与稳定性机制

《npj Biofilms and Microbiomes》：Exploring the function of toggle genes in cheese microbial consortium

　　

摘要

微生物共菌群是食品发酵的基础引擎，然而批次间的不一致性仍然是重大的工业挑战。传统宏转录组学依赖差异表达分析，该方法虽能捕捉全局变化，却常常忽视决定群落稳定性的固有转录组噪声。在本研究中，我们针对一种定义的奶酪发酵 starter culture 采用菌株缺失策略，应用转录组学方法进行分析。通过量化香农熵、转录噪声以及开关式"切换基因"，我们识别了共菌群内部的关键功能依赖和不稳定点。我们证明，切换基因占宏转录组的4%至8%，是群落可塑性的主要驱动力，尽管它们并未改变全局表达熵，却表现出高表达噪声。我们的网络解卷积分析确定 Lactococcus lactis 为潜在的基石菌株，对群落的转录复杂性做出了贡献——其缺失与更窄的代谢状态相关。相反，缺失 Lactococcus 混合株后，Streptococcus thermophilus 伴随显著的转录不稳定性，其特征是能量消耗较大的组氨酸和糖转运途径的高幅度切换。综上，这些发现确立了转录组噪声是微生物共菌群的基本特征，并为理解功能冗余提供了分子框架，从而补充常规方法以评估发酵食品中 starter culture 的稳定性和批次可重复性。