基于基因组学探究全球发酵食品中醋酸菌的奥秘

为深入了解醋酸菌（AABs）的基因组和代谢特征，研究人员分析 337 个高质量宏基因组组装基因组（MAGs），揭示其多样性、功能和作用。

　　# 探秘发酵食品中的醋酸菌：基因组学视角下的新发现
在美食的世界里，发酵食品凭借独特的风味和丰富的口感备受青睐。无论是清爽的康普茶（kombucha）、营养的牛奶开菲尔（milk kefir），还是传统的酸面团（sourdough），它们的独特魅力都离不开微生物的功劳，其中醋酸菌（Acetic acid bacteria，AABs）更是扮演着重要角色。AABs 是一类专性需氧细菌，隶属于醋杆菌科（Acetobacteraceae），它们不仅能将乙醇氧化为醋酸，用于食醋酿造，还在维生素 C、纤维素等物质的生产中发挥作用。然而，与发酵食品中其他重要微生物如乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB）相比，AABs 的研究相对较少，其在发酵食品中的潜力尚未完全挖掘。为了揭开 AABs 在发酵食品中的神秘面纱，来自爱尔兰 Teagasc 食品研究中心等机构的研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在《iScience》杂志上。

以往对发酵食品微生物的研究多聚焦于 LAB 等，AABs 的基因组和代谢特征却鲜有人深入探究。随着高通量 DNA 测序和生物信息学技术的发展，为全面解析 AABs 提供了可能。研究人员迫切希望通过研究，深入了解 AABs 在发酵食品中的分类、分布和功能，从而为发酵食品品质提升和工业应用提供科学依据。

研究人员从 223 个发酵食品宏基因组样本中筛选出 337 个高质量的 AABs 宏基因组组装基因组（Metagenomic-assembled genomes，MAGs），这些样本涵盖了多种发酵食品，如康普茶、牛奶开菲尔、水开菲尔（water kefir）等。同时，他们还从 NCBI 数据库下载了 272 个 AABs MAGs，以增强数据集的多样性，用于比较基因组分析。

在研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：

• 基因组数据筛选与整理：通过特定的数据库查询和质量筛选标准，从众多宏基因组数据中获取高质量的 AABs MAGs。利用 CheckM 软件评估基因组质量，确保完整性大于 90% 且污染率小于 5%，再用 dRep 软件基于平均核苷酸同一性（ANI）进行去重，得到最终的 MAGs 数据集。
• 系统发育分析：运用 GTDB-Tk 软件，基于 609 个 MAGs 的序列构建系统发育树，直观展示不同来源 AABs 的遗传关系。并借助 iTOL 软件对树进行可视化处理，结合其他元数据进一步分析。
• 功能注释与分析：采用多种软件对 AABs MAGs 进行功能注释。Prodigal 用于蛋白质编码基因预测，antiSMASH 分析次生代谢物基因簇，dbCAN3 注释碳水化合物活性酶（Carbohydrate-active enzymes，CAZymes）基因，基于综合抗生素抗性数据库（CARD）利用 RGI 注释抗菌抗性（Antimicrobial resistance，AMR）基因。此外，运用 METABOLIC 软件预测 AABs 的代谢谱，探究其代谢潜力。

AABs MAGs 的特征分析

研究发现，发酵食品来源的 AABs MAGs 在系统发育上与其他环境来源的明显不同。从种类分布来看，不同发酵食品中 AABs 的种类存在差异。例如，牛奶开菲尔中的 AABs MAGs 主要属于醋杆菌属（Acetobacter spp.），水开菲尔中主要是醋杆菌属（74.46%）和葡萄糖杆菌属（Gluconobacter spp.，19.91%），康普茶中则以柯马嘉氏杆菌属（Komagataeibacter spp.，68.75%）和葡糖醋酸杆菌属（Gluconacetobacter spp.，25%）为主。通过系统发育树分析，大多数发酵食品来源的 MAGs 聚在一起，与其他环境来源的 MAGs 明显区分开来，这表明发酵食品是 AABs 的独特生态位，环境来源并非发酵食品中 AABs 的主要来源。研究还鉴定出 9 个推定的新物种，丰富了 AABs 的物种多样性。

碳水化合物利用功能差异

CAZymes 在食品发酵过程中对碳水化合物的代谢起着关键作用。研究人员对比了牛奶开菲尔、水开菲尔和康普茶中 AABs 的 CAZymes 分布，发现糖苷水解酶（Glycoside hydrolases，GHs）和糖基转移酶（Glycosyltransferases，GTs）是编码最为常见的 CAZymes。进一步分析发现，不同发酵食品中特定 CAZyme 基因的相对丰度存在显著差异。如 GT2、碳水化合物结合模块 48（Carbohydrate-binding module 48，CBM48）和 GT3 在康普茶中显著富集；GT4 和 GH23 在水开菲尔中相对丰度更高；GT51 在牛奶开菲尔的 AABs 中更为丰富。这些差异与不同发酵食品中碳水化合物的种类和含量密切相关，反映了 AABs 对不同发酵环境的适应性。

次生代谢产物的差异

AABs 产生的次生代谢产物具有潜在的药用价值。研究人员利用 antiSMASH 预测牛奶开菲尔、水开菲尔和康普茶中 AABs MAGs 的次生代谢途径，共检测到 12 类次生代谢物中的 1322 个命中结果。其中，萜烯、氧化还原辅因子和芳基多烯是最常见的三类次生代谢物相关基因。进一步分析发现，牛奶开菲尔中 AABs 的芳基多烯相关基因百分比显著高于康普茶和水开菲尔；而康普茶中 AABs 的萜烯相关基因百分比更高。这些差异表明不同发酵食品中的 AABs 在次生代谢产物合成方面具有特异性。

AMR 基因的差异

在 609 个 AABs MAGs 中，研究人员检测到 485 个 AMR 基因，其类型因样本来源而异。在食品相关样本来源的 MAGs 中，qacJ 和 qacG 基因（与抗消毒剂和防腐剂相关）更为普遍；而在环境样本（土壤、水等）中，adeF 基因（与抗四环素类抗生素相关）更为丰富。对牛奶开菲尔、水开菲尔和康普茶中 AABs MAGs 的 AMR 基因进行详细分析发现，牛奶开菲尔和康普茶中的 AABs MAGs 检测到的 AMR 基因多为 qacJ，水开菲尔中则有更多种类的 AMR 基因，如 adeF、fosA8、qacG 和 vanH 等。部分物种如 GGB49319 和 Gluconacetobacter dulcium 的 MAGs 中含有多个抗性基因，可能成为抗生素抗性基因的储存库，值得进一步研究。

代谢能力与功能潜力

研究人员运用 METABOLIC 预测 AABs 的代谢谱，发现不同 AABs 物种在代谢能力上存在差异。例如，所有醋杆菌属物种都具有消耗乙醇的能力，而只有柯马嘉氏杆菌属和葡糖醋酸杆菌属能够完成将醋酸转化为乙醇的过程。此外，还发现一些与特定代谢功能相关的基因在不同 AABs 物种中的分布不同。如编码纤维素酶的基因在康普茶相关的 AABs MAGs 中存在，这可能与康普茶发酵过程中高含量的纤维素有关；NiFe 氢化酶基因在部分醋杆菌属物种中被检测到，其可能在无氧条件下参与电子传递过程。通过计算不同发酵食品中 AABs 社区的 KEGG 模块步骤数，发现牛奶开菲尔中的 AABs 在氨基酸和脂肪酸相关代谢反应的模块步骤数较多，而康普茶中的 AABs 在氮代谢模块步骤数上显著高于其他两种发酵食品。

潜在益生菌特性差异

研究人员对潜在健康相关基因簇（Putative health-related gene clusters，PHAGCs）进行筛选，发现其在 AABs MAGs 中的分布存在差异。PHAGCs 主要分为 “生存”“定植” 和 “调节” 三类。大多数 AABs 物种中，与定植和生存相关的基因较为常见，如编码肽甲硫氨酸亚砜还原酶的 msrB 基因和编码铜输出 P 型 ATP 酶 B 的 copB 基因。此外，葡萄糖杆菌属与其他 AABs 物种在某些 PHAGCs（如 lspA 和 dps）的存在上有明显差异，这可能影响它们在肠道中的定植和对宿主的影响，不过其益生菌潜力还需进一步体内研究验证。

研究人员通过对发酵食品中 AABs 的全面分析，揭示了其在分类、功能和代谢方面的多样性。研究不仅发现了新的 AABs 物种，还深入了解了不同发酵食品中 AABs 的功能差异，为发酵食品行业提供了有价值的信息。在未来，这些研究成果有望应用于优化发酵工艺、提升发酵食品品质，甚至开发新型功能性食品。同时，研究中发现的抗生素抗性基因分布情况也为食品安全领域敲响了警钟，提示人们在利用 AABs 的同时要关注潜在的健康风险。不过，研究也存在一定局限性，如 MAGs 的注释依赖现有数据库，可能存在不全面的情况。随着新基因组数据的不断积累，未来还需要进一步对这些 MAGs 进行重新分析和验证，以不断完善对 AABs 的认知 。