物种与菌株特异性表型塑造五物种酵母联合体的性能与代谢输出

《Microbiology Spectrum》：Species and strain-specific phenotypes shape performance and output of a five-species yeast consortium

　　

自发葡萄酒酒精发酵由复杂的酵母群落启动，这些群落塑造了发酵过程和发酵结果。尽管这一酵母生态系统已被广泛描述，但影响种群动态（population dynamics）的生物因素，以及物种和菌株分类水平在决定这些参数中的相对生态重要性仍未得到充分解析。在此，研究人员建立了一个由五个常见于自发葡萄酒发酵的主要贡献酵母物种组成的联合体：酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、耐热拉氏酵母（Lachancea thermotolerans）、葡萄汁有孢汉逊酵母（Hanseniaspora uvarum）、星形假丝酵母（Starmerella bacillaris）和德尔布有孢圆酵母（Torulaspora delbrueckii）。该联合体中的每个物种由两株表型分化的菌株代表。研究人员实施了两种系统性联合体扰动，即单物种剔除（single-species drop-out）和单菌株替换（single-strain substitution），并表征了发酵动力学、糖利用、种群动态、初级代谢物（primary metabolites）和主要挥发性化合物（major volatile compounds）。物种剔除和菌株替换均对种群动态、生长行为和代谢输出产生了显著影响。双因素分析（two-way analysis）证实，非酿酒酵母替换对代谢输出的影响比酿酒酵母菌株替换更广泛。糖利用和种群数据共同揭示了物种间的竞争性相互作用，而化学输出则追踪了由不同物种和菌株组成的每个联合体的身份。这些数据支持一个层次性解释：物种身份确立联合体结构，菌株身份调节其效应大小。

重要性
微生物群落驱动食品生产中的重要过程，但研究人员仍对复杂群落的行为知之甚少。葡萄酒发酵提供了一个易于处理的模型，因为它由多种酵母物种进行，其组合活动决定了代谢结果。通常假设知道存在哪些物种足以预测群落功能，而同一物种不同菌株之间的差异常被忽视。通过建立一个由五个葡萄酒酵母物种组成的明确群落，并系统地剔除物种或替换单个菌株，研究人员证明物种身份设定群落的基本结构，而每个物种的特定菌株则调节该效应的大小。这一区分对于任何寻求设计或预测微生物群落行为的人都很重要，并且表明在设计可预测的微生物发酵时必须考虑菌株水平的差异。

自发葡萄酒酒精发酵由复杂的酵母群落驱动，其中酿酒酵母通常在后期占优势，而非酿酒酵母物种在早期主导并贡献最终酒的化学和感官特征。尽管这种演替模式已被广泛认识，但不同研究在物种持续时间和演替顺序上存在显著变化，表明仅环境因素不足以解释个体发酵中的物种演替。因此，解析生态相互作用以及物种和菌株身份在群落功能中的相对重要性成为核心问题。该研究旨在通过建立一个具有代表性的五物种合成酵母联合体，系统评估物种和菌株水平扰动对发酵性能和多维输出的影响。

研究人员选取了五个常见于葡萄汁的酵母物种，每个物种由两株表型分化的菌株代表，共十株。通过单物种剔除（每次移除一个物种）和单菌株替换（将某物种的一株菌替换为同一物种的另一株菌），构建了15个联合体。研究人员在合成葡萄汁中进行了平行发酵，表征了发酵动力学、糖利用、种群动态、初级代谢物和主要挥发性化合物。结果表明，物种剔除和菌株替换均显著影响种群动态和代谢输出，但物种身份决定了群落的基本结构，而菌株身份主要调节该结构的效应幅度。该研究首次提供了系统证据，表明在工程化可预测的微生物发酵时，必须考虑菌株水平差异。

主要关键技术方法：研究使用了10株葡萄酒相关酵母，其来源包括商业