江南大学联合青岛能源所合作揭示白酒酿造菌群原位“代谢接力”机制
近期，江南大学生物工程学院徐岩教授团队联合中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心徐健研究员团队在高温大曲单细胞拉曼分选服务菌群机制解析和原位功能菌资源挖掘等方面取得重要进展，以“Single-cell phenotyping and sequencing uncover metabolically active low-abundance yeasts in thermophilic fermentation”为题发表于Bioresource Technology（IF=9.0）。
长期以来，白酒、食品及生物制造等泛发酵工业普遍面临微生物群落结构复杂、发酵环境条件严苛等问题。传统多组学技术虽然能够描绘发酵体系中微生物的“组成图谱”，但在高温等极端条件下，哪些微生物仍保持活性并真正参与发酵过程，始终缺乏有效判别手段。这一问题不仅影响发酵机理的深入理解，也制约了关键功能菌的筛选和发酵过程的精准调控。
针对上述难题，江南大学徐岩教授团队张丽杰课题组和单细胞中心荆晓艳副研究员带领的研究小组基于中心开发的拉曼微流单细胞分选仪，首先建立了适配于高温大曲的群落稳定同位素示踪、拉曼光谱鉴定及单细胞分选技术，对高温大曲发酵过程中酵母菌的原位活性状态及其代谢活力进行了准确定量和精准分选。结果显示，在高温胁迫条件下，通过测序检测到的酵母物种中，仅有约10–32% 仍保持代谢活性。酵母菌在高温大曲中存活比例的定量结果，表明微生物在群落中的“数量及多样性”并不等同于其在发酵过程中的“功能”。
进一步研究发现，高温大曲发酵并非由某一种微生物在整个过程中持续主导，而是由多种关键功能酵母在不同阶段分工协作、接力完成。在中温阶段，Saccharomycopsis fibuligera 和 Wickerhamomyces anomalus 介导底物降解和风味前体合成；而当温度升高至 45 ℃以上，仅耐热能力更强的 Pichia kudriavzevii 能持续保持高活性。这种不同酵母菌株间在原位功能上各具动态特征、分工明确、多步接力式的协作模式，有助于维持高温发酵体系在极端条件下的整体稳定性。
最后，基于比较基因组学和遗传层面的进化分析结果，研究小组进一步揭示了高温大曲中耐热酵母 Pichia kudriavzevii 在高温环境中保持活性的适应性进化机制。
该研究不仅在中国白酒高温大曲这一典型发酵体系中，理清了复杂微生物群落中“谁在真正起作用、如何协同完成发酵、以及为何能够耐受高温胁迫”等关键问题，更重要的是，本研究从单细胞尺度出发，重新定义了复杂发酵体系中微生物的原位功能识别、代谢机制解析与功能菌株挖掘方式，标志着我们对发酵过程的理解正从模糊的“经验驱动”向精准的“数据与机制驱动”转变，对促进高温大曲传统发酵产业的现代化产业升级具有积极意义。
江南大学博士生张怀志为第一作者，徐岩教授、张丽杰副研究员、徐健研究员为论文的共同通讯作者，上述研究得到了国家重点研发计划（2022YFD2101203）和国家自然科学基金（32030003）资助。
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