基于全基因组学和转录组学对癸酸菌ZCY20-5产酸代谢途径的研究

《Food and Bioproducts Processing》：Study on acid-producing metabolic pathway of caproic acid bacteria ZCY20-5 based on whole genomics and transcriptomics

　　该研究以新型丁酸发酵菌种Caproicibacterium argilliputei ZCY20–5为对象，通过基因组测序（290,4997?bp，2752个编码序列）和转录组分析发现，添加钠丁酸可显著激活逆向β-氧化（RBO）途径，促进Caproic acid生成，其基因表达量虽低于脂肪酸合成（FAB）途径，但RBO途径仍主导碳链延伸反应。研究证实钠丁酸作为前体物质对Caproic acid发酵的关键调控作用，为工业化发酵工艺优化提供理论依据。

　　本研究聚焦于一种名为“Caproicibacterium argilliputei ZCY20–5”的新分离出的产己酸菌株，该菌株在“浓香型白酒”（Nongxiangxing Baijiu）的发酵过程中扮演着重要角色。浓香型白酒是中国六大名酒之一，以其浓郁的窖香、甜美的口感、协调的风味和持久的回味而广受消费者喜爱。在酿造过程中，浓香型白酒不仅依赖于独特的工艺，还依靠丰富的微生物群落，这些微生物通过复杂的代谢活动生成多种风味物质。己酸是浓香型白酒中重要的前体物质，其代谢产物——乙酸己酯，是该酒类风味的核心成分之一。因此，理解己酸的代谢路径及其调控机制，对于提升浓香型白酒的风味品质具有重要意义。

本研究选取了从窖泥中分离出的ZCY20–5菌株作为研究对象，采用全基因组和转录组分析的方法，揭示了其己酸代谢的机制，并探讨了前体物质丁酸钠对其代谢过程的影响。研究结果表明，ZCY20–5菌株的主要发酵产物包括乳酸、乙酸、丁酸和己酸。在实验中，添加丁酸钠能够显著提高己酸的产量，这一发现为工业规模的己酸发酵提供了理论依据和应用参考。

基因组分析显示，ZCY20–5菌株的基因组大小为290,4997 bp，包含2752个编码序列。这些基因编码了多种与碳源和氮源利用、氨基酸和维生素合成以及混合酸代谢相关的功能。其中，与脂肪酸生物合成（FAB）相关的基因在实验组中显著上调，但其表达水平远低于与反向β-氧化（RBO）相关的基因。这一现象表明，丁酸钠可能通过RBO途径促进己酸的合成。RBO途径被认为是大多数己酸合成的标准模型，其起始物质为乙酰辅酶A，随后通过一系列酶促反应延长碳链，最终生成己酸。该途径在ZCY20–5菌株中得到了充分的注释，说明其在己酸代谢中占据主导地位。

此外，研究还发现，ZCY20–5菌株在FAB途径中也具有一定的代谢能力。虽然FAB途径的表达水平较低，但其关键酶如脂肪酸合酶（FAS）等已被成功注释，表明该菌株具备通过FAB途径合成己酸的潜力。这一发现为深入理解己酸的多途径合成机制提供了新的视角。目前，已有研究表明某些己酸菌株能够同时利用RBO和FAB途径进行己酸的合成，例如在葡萄酒酿造废水中作为底物时，某些菌株能够通过这两种途径协同作用，提高己酸的产量。

为了进一步验证丁酸钠对ZCY20–5菌株代谢的影响，研究团队通过转录组分析，探讨了丁酸钠对两种主要代谢途径的调控作用。结果显示，尽管FAB途径相关基因在实验组中表达量有所增加，但RBO途径的表达量仍然远高于FAB途径，这表明丁酸钠主要通过RBO途径促进己酸的合成。这一结论不仅支持了RBO途径在己酸代谢中的核心地位，也揭示了丁酸钠作为前体物质在调控该过程中的关键作用。

研究还发现，ZCY20–5菌株在发酵过程中能够有效利用多种碳源和氮源，如葡萄糖、淀粉、乙醇、有机酸等，这些物质在酿造系统中积累，成为己酸合成的重要底物。通过基因组和转录组的联合分析，研究人员能够更全面地了解该菌株的代谢网络，为后续的工业应用提供了坚实的理论基础。

从实践角度来看，本研究的成果对于优化浓香型白酒的发酵工艺具有重要的指导意义。通过添加丁酸钠等前体物质，可以有效提高己酸的产量，从而增强乙酸己酯的生成，进一步改善酒体的风味。此外，研究还揭示了菌株在不同代谢途径中的表达差异，这有助于设计更高效的发酵策略，例如通过调控环境条件或添加特定前体物质，以实现对己酸合成的精准控制。

在方法学上，本研究采用了全基因组测序和转录组测序相结合的技术手段，全面解析了ZCY20–5菌株的代谢能力及其对丁酸钠的响应。这种多组学方法不仅能够揭示菌株的基因组特征，还能深入探讨其在不同环境条件下的代谢动态，为微生物代谢研究提供了新的思路和工具。

研究团队在本研究中发挥了重要作用，Guangbin Ye、Liyang Lu和Shangchao Xia等作者共同参与了实验设计、数据采集、分析和论文撰写工作。他们不仅负责实验的执行和结果的解读，还参与了研究的全过程管理，包括资金申请、资源调配和项目监督等。这种多学科协作的方式，使得研究能够更全面地覆盖从基因组到代谢产物的各个环节，为科学界提供了高质量的研究成果。

本研究的完成得到了四川科技计划和泸州老窖研究生创新基金项目的资助，这表明该研究不仅具有学术价值，也得到了实际应用的支持。未来，随着对己酸代谢机制的深入理解，相关技术有望应用于更广泛的食品工业领域，如调味品、香料和功能性食品的开发，为提升产品品质和风味提供新的解决方案。

总的来说，本研究通过系统分析ZCY20–5菌株的基因组和转录组数据，揭示了其在浓香型白酒发酵中的关键作用，并明确了丁酸钠对己酸合成的促进机制。这些发现不仅加深了对己酸代谢途径的理解，也为工业应用提供了重要的理论依据和技术支持。随着微生物代谢研究的不断深入，未来有望开发出更多高效的发酵策略，进一步推动浓香型白酒及其他相关产品的高质量发展。