發酵食品群落生態系統微生物相互作用的研究進展:聚焦交叉喂養

慕婷婷,榮良燕,吳建軍,李儒仁*

1(甘肅中醫藥大學 公共衛生學院,甘肅 蘭州,730030)2(渤海大學 食品科學與工程學院,遼寧 錦州,121013)

自然界中共生微生物的相互作用對于全球碳、氮循環不可或缺,而且這類相互作用早在幾千年前就被用于食品的發酵和保藏[1]。發酵食品微生物間的相互作用可對群落成員產生有益、中性或有害的影響,其中涉及到互利共生:相互作用的微生物間彼此受益;偏害共生:相互作用時一種微生物對另一種產生不利影響且自身生長不受干擾;偏利共生:相互作用時一種微生物對另一種產生有益影響且自身生長不受干擾;競爭:發酵過程中微生物之間爭奪營養素和能量;寄生:相互作用的微生物一方受益,一方受害,受害方為受益方提供營養物質而自身生長被抑制。這些相互作用是發酵食品微生物群落組裝和演化的重要驅動因素,一定程度上決定了最終產品的食用品質和安全性[1-4]。但是,以上經典理論無法完全解釋微生物的相互依賴性和錯綜復雜的網絡關系[5-8],缺乏從菌種水平對微生物交叉喂養等相互作用模式的理解。

微生物群落并不是微生物個體的簡單聚集,而是微生物菌種之間、與其他生物及其環境通過多種方式的相互作用(包括資源競爭、生長抑制、交叉喂養、群體感應和基因水平轉移等機制)形成的復雜網絡生態系統。驅動菌群相互作用的動力不僅僅局限于電子供體的交換和物質代謝通路,超過98%的微生物都是營養缺陷型,需要依賴特定的外源營養物質進行生長,包括氨基酸和維生素等營養物質的交換。微生物的營養缺陷型、合成同一物質的能量需求、對不同營養物質的吸收能力都不同,這些差異深刻影響微生物在菌群中的互作。

交叉喂養,是指一種細菌所分泌的代謝產物(包括碳源、氮源、氨基酸、維生素、核苷酸、電子供體、電子受體和其他生長因子等)被另一種細菌利用和分解代謝。這種代謝物的轉移和消耗現象廣泛存在于微生物群落中,可提高微生物在資源貧乏的環境中生存的能力,影響到微生物群落組成、結構、進化、毒力和抗生素敏感性等。通過從環境,從不同的微生物或宿主獲得的營養可用于抵消生產某些代謝物的能量成本。在空間結構化的群落中,互利合作細菌之間的局部交換增加,從而增強了互惠性。

例如奶酪中微生物依靠真菌菌絲體分泌的化學物尋找合適的棲息地[9];并為響應其他成員分泌的低濃度抗菌物質(如H2O2),減少鐵離子轉運蛋白的表達[10]。借助多組學等先進技術手段,可以深入理解微生物相互作用時分子信息傳遞的復雜性,雖然輔助因子在微生物互作過程中具有重要作用,但本文主要關注微生物間電子供體交換、氨基酸及維生素營養缺陷的交叉喂養。

原養型微生物可在環境營養素極度缺乏的情況下合成生長必需的營養物質。但由于空間環境、微生物自身代謝造成的能量消耗及某些代謝途徑缺失等因素的影響,自然界中超過98%的微生物都屬于營養缺陷型[11-12]。例如除天冬氨酸和谷氨酸外,清酒乳桿菌(Lactobacillussakei)對其他氨基酸營養缺陷[13]。在需求營養素維持生命活動的驅動下,微生物之間或微生物與環境之間通常會發生營養相互作用,以降低能量消耗的生長模式來維持微生物群落的多樣性。此外,在空間結構化環境中,可增加共生微生物之間的局部營養素交換頻率,增強代謝產物交叉喂養效應[11]。微生物基因組的差異導致微生物營養需求的特異性,造成了營養缺陷型微生物在選擇合作伙伴時具有不同的偏好,這在一定程度上決定了微生物群落的組裝和演化[12]。

微生物群落成員的代謝相互作用本質上是高度動態的,即隨著發酵的進行,發酵食品營養素結構因微生物代謝反應不斷發生改變[14],導致微生物交叉喂養對環境的影響也隨時間發生劇烈變化。最近一項針對合成群落的研究表明,在高濃度營養素條件下,微生物相互作用強度增加不利于維持物種多樣性,而在低濃度營養素條件下,相互作用強度減弱,但物種多樣性增加,其中互作導致的環境pH變化是主要驅動因素[15]。此外,自然發酵香腸[16]、醋[6]、奶酪[17]等微生態的物種多樣性隨時間變化呈簡單到復雜的趨勢,這在一定程度上表明隨著發酵時間的推移,微生物可利用的營養素總量在減少,需依賴更多合作伙伴提供生長必需的營養素,因此增加了交叉喂養行為,減少了營養競爭行為,并通過改變pH等創造適合合作伙伴生長的環境條件,使群落物種多樣性增加[15]。另外,微生物交叉喂養時產生的一系列酶(蛋白酶、脂肪酶等)[18-19]、風味物質(乳酸、醋酸等)[2,20]、氨基酸(谷氨酸、色氨酸等)[8,21]及維生素(鈷胺素、葉酸等)[21-22]等可改善發酵食品的感官品質及營養品質。

在白酒、葡萄酒等酒精發酵飲料中,酵母和乳酸菌之間的交叉喂養最為普遍。乳酸菌是酒精發酵中的優勢菌屬,雖然在發酵過程中對風味化合物的貢獻不足,但它們可以與風味物質生產菌(酵母)交叉喂養促進風味產生。例如,在白酒發酵過程中,釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)能產生3-甲硫基-1-丙醇和二甲基二硫化合物,而布氏乳桿菌(Lactobacillusbuchneri)不能產生這兩種風味物質。但在它們的共培養中,布氏乳桿菌顯示出甲基循環高轉錄活性,促進了釀酒酵母生產這兩種化合物以及蛋氨酸(3-甲硫基-1-丙醇和二甲基二硫化合物的前體)的合成[23]。除此之外,一些酵母菌能夠產生或釋放能夠刺激乳酸菌生長的氨基酸和維生素。例如,在葡萄汁中觀察到釀酒酵母釋放的氨基酸和其他代謝產物能夠刺激植物乳桿菌(Lactiplantibacillusplantarum)的生長[24]。值得注意的是,植物乳桿菌的這種代謝依賴性是單向的,并且在不同的酵母菌株之間是保守的。另一個營養來源是酵母自溶,即較弱的酵母細胞在發酵過程中死亡。這種現象的特點是在葡萄酒蘋果酸乳酸發酵過程中酵母死亡釋放出額外的氮源,乳酸菌可將其用作營養源[25]。在酵母自溶物的含氮組分中,含有重要的氨基酸,如精氨酸、異亮氨酸、谷氨酸和色氨酸的小組分(<1 kDa)對細菌的生長促進有益。這些交叉喂養促進了非酵母微生物在酒精飲料中的生長,對葡萄酒的品質尤其是芳香特征有巨大影響。

此外,乳品發酵過程中細菌之間也存在廣泛的交叉喂養。在奶酪的發酵過程中,乳酸菌通過兩種機制促進丙酸菌的生長:a)乳酸菌產生乳酸,乳酸被丙酸菌進一步代謝為丙酸、醋酸和二氧化碳[26];b)乳酸菌水解奶酪蛋白,從而為丙酸菌提供多肽和游離氨基酸。乳酸菌和丙酸菌的交叉喂養具有防腐的作用,如乳酸、丙酸和醋酸、過氧化氫、雙乙酰和其他幾種低分子代謝物已被證明具有抗菌的作用。在目前的模型中,保加利亞乳桿菌(Lactobacillusdelbrueckiisubsp.bulgaricus)為嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)提供肽和氨基酸,嗜熱鏈球菌反過來產生甲酸、葉酸和其他嘌呤合成前體,促進保加利亞乳桿菌的生長之間的交叉喂養[27]。這種嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌之間的交叉喂養極大地提升了酸奶的最終產品的質量和穩定性。

綜上所述,隨著營養素可用性的變化,微生物可通過營養相互作用模式塑造發酵食品微生物群落,進而影響發酵食品的食用和安全品質。

為了深入理解微生物群落的動態交互網絡如何影響發酵食品群落生態系統,本文主要介紹了發酵食品中微生物電子供體交換,氨基酸、維生素交叉喂養,強調了從時空角度理解微生物動態交互網絡的必要性,并探究了有效篩選關鍵少數菌種和理性調控微生物群落的研究策略。

1 交叉喂養類型

1.1 潛在的交叉喂養

微生物間的相互作用對于群落生態系統的組成和群落功能的發揮必不可少[3,17]。已有研究發現發酵食品中存在菌種間相互作用刺激雙方生長繁殖的現象,通過調控此類相互作用可改善發酵食品的食用品質[1-2,28]。例如,奶酪發酵過程中漢遜德巴利酵母(Debaryomyceshansenii)在含鹽環境下可促進解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)生長,隨后酵母菌分解乳酸、蛋白質、脂肪等促進木糖葡糖球菌(Staphylococcusxylosus)和變異微球菌(Micrococcusvarians)生長,這兩種細菌產生的蛋白酶和脂肪酶具有改善奶酪風味和質地的功能[18-19]。酸奶發酵過程中德氏乳桿菌(Lactobacillusdelbrueckii)與嗜熱鏈球菌通過相互作用刺激二者甲酸、丙酸、葉酸等[29-31]關鍵生長因子的攝取與代謝,該體系的環境因子及其他營養素的可用性也可能影響二者潛在的交叉喂養效果[1]。發酵香腸加工過程中清酒乳桿菌與木糖葡萄球菌之間也存在類似的互動現象,木糖葡萄球菌的代謝產物能促進清酒乳桿菌生長[32]。由于環境和微生物代謝過程中能量消耗等因素的影響,許多微生物存在營養缺陷。因此,發酵食品中普遍存在微生物交叉喂養相互作用。通過研究微生物的代謝特征可為營養缺陷菌尋找合適的互利共生伙伴,為現代食品發酵工業食品發酵劑的篩選和組合提供了理論基礎,并對發酵食品微生物交互網絡有了一定的了解。但是,簡單理解發酵食品中優勢微生物通過攝取和產生特定的營養素并刺激其他微生物生長不足以解釋微生物群落的動態交叉喂養。組學技術的發展與應用為探索發酵食品微生物間營養素交叉喂養提供了新的路徑,使評估微生物動態交互網絡成為可能。

1.2 電子供體交換

以往的研究只關注了微生物特定代謝產物的流動,例如酵母菌可以代謝碳水化合物產生葡萄糖和果糖供短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)和植物乳桿菌利用[33-34],并沒有認識到微生物成員之間可以通過級聯的方式為下一個成員提供營養素和能量(圖1)[12]。因此,有人提出微生物依靠電子供體交叉喂養來的觀點來描述微生物群落間碳源的動態流動與交換[35]。例如厭氧微生物降解復雜有機物,代謝生成的有機物通過群落中不同的微生物轉化為短鏈脂肪酸、二氧化碳和甲烷[36]。發酵乳制品中同樣存在微生物間電子供體交換的現象,如同型發酵的嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)在含葡萄糖的環境中生成最終產物乳酸,厭氧生長的薛氏丙酸桿菌(Propionibacteriumshermanii)可利用葡萄糖或乳酸作為碳源和能源生成丙酸、乙酸和二氧化碳[20]。乳酸菌和丙酸菌是電子供體交換的典型例子,兩者間具有碳源營養鏈,由乳酸菌分解代謝乳糖和葡萄糖等產生乳酸,乳酸將作為丙酸菌生長及產生丙酸和乙酸的優先碳源[2]。但是共培養中乳酸的存在無法解釋其對丙酸菌所有的積極作用,乳酸菌和丙酸菌的其他代謝產物以及群落成員的影響都可能促進雙方生長繁殖[20]。雖然電子供體交換是微生物生態學中公認的驅動力,但是單獨的電子供體交換理論忽略了微生物間的高階相互作用[37],不足以解釋微生物網絡中的動態交叉喂養[8],。因此這樣的理論不能用于高效篩選組合關鍵微生物。最近的研究基于多組學技術和計算機模型提出“結構可達性”[38]與“結構可控性”[39-40]的概念,提供了理解微生物間營養物質需求和流動的新視角,幫助我們多尺度構建微生物動態交互網絡并識別任何微生物群落中的最小驅動物種,為發酵食品菌種的篩選與組合打開了新的大門。

1.3 氨基酸與維生素營養缺陷

除了基于電子供體的交叉喂養外,微生物群落生態系統中氨基酸和維生素的交換同樣可以促進群落組裝[41]。最近一項針對949種真細菌的基因測序發現,76%的真細菌至少不能合成25種關鍵代謝產物中的1種[42]。另外,營養缺陷不僅存在于共生菌,還存在于自由生長的細菌。微生物的適應性優勢和遺傳漂變是造成營養缺陷的主要因素[11],其中包括微生物對某些代謝成本和能量需求較大的氨基酸和B族維生素營養缺陷,如色氨酸、組氨酸、酪氨酸以及維生素B12等,需從外界攝取這類營養素以獲得自身生長優勢[11,43]。因此,營養缺陷型細菌通常依賴群落中其他成員或周圍環境提供其生長必需的營養素,或進一步與其他微生物或環境形成不同類型的共生體維持各項生命活動(圖2)[44-45]。發酵食品中酵母菌能夠代謝分泌氨基酸和維生素供細菌利用,而細菌同樣會產生次級代謝產物供酵母菌使用[46-47]。例如在開菲爾(kefir)發酵體系中,條件培養大麥乳酸桿菌(Lactobacillushordei)存在氨基酸和維生素營養缺陷,進一步的共培養發現釀酒酵母可為大麥乳酸桿菌提供亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸以及維生素B6等營養物質[21]。近期的多組學研究可從基因水平為酵母菌和細菌交叉喂養提供新見解。例如利用宏基因組聯合蛋白組研究大麥乳酸桿菌與釀酒酵母之間的互動機制,通過共培養發現釀酒酵母谷氨酰胺分泌量顯著增加,同時乳酸菌氨基酸透性酶基因表達及其他氨基酸生物合成途徑顯著上調,以攝取酵母菌分泌的氨基酸并轉化利用,這種調控基因表達直接攝取氨基酸的方式可以減少自身能量消耗。另外,大麥乳酸桿菌利用釀酒酵母代謝產生核黃素,通過自身連接嘌呤代謝和戊糖磷酸途徑使合成核黃素的相關酶(如核黃素合成酶)基因表達下調[22]。此外,基于轉錄組分析的共培養發現酸奶中嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌之間存在氨基酸、脂肪酸、葉酸的交叉喂養,這有助于保加利亞乳桿菌嘌呤核苷酸的合成[48]。微生物可根據環境營養素的可用性調控自身基因表達緩解能量消耗產生的生存壓力,隨著共生體生理狀態及環境營養素的變化,微生物間的交叉喂養也呈現出動態變化的規律[12]。簡單理解發酵食品微生物局部時間點氨基酸、維生素等營養物質的交叉喂養及內在機制不足以全面反映微生物交叉喂養的動力學問題。因此,需在初步了解微生物營養缺陷及基因表達變化的基礎上獲取更多時序數據重構微生物交互網絡,幫助理解微生物營養相互作用,并挖掘和操控網絡節點的最小驅動物種以此來調控微生物群落的動態變化。

2 動態交叉喂養

2.1 營養素的動態變化——時間角度

大量營養缺陷型細菌需要從其他微生物或環境中獲取營養素,且這些營養素必須在一定時期內持續可用。微生物僅通過電子供體交換獲得碳源和能量不能滿足生理需求,還需依賴合作伙伴或者棲息環境提供的必要營養素。已有研究聚焦于發酵食品微生物群落特征及代謝網絡結構,以尋找調控發酵食品品質的核心菌群[6,49-50],但尚不清楚核心共生菌群之間能量和營養素的定向流動是否隨時間變化。例如隨著發酵時間的推移,環境等因素的變化是否造成某些微生物的豐度降低或升高[51],從而直接影響其合作伙伴次級代謝產物的可用性[25,52]。雖然評估營養素動態變化對微生物交叉喂養的互動存在巨大挑戰,但利用合成微生物互作模型可獲得對群落組裝和動態交叉喂養的新見解。最近一項研究基于代謝動力學揭示了酵母菌和乳酸菌之間的氨基酸交叉喂養:研究者首先設計了一種簡單但仍保留許多復雜性的培養基(含35種成分,包括8種氨基酸,精氨酸,天冬酰胺,組氨酸,異亮氨酸,亮氨酸,蛋氨酸,纈氨酸和酪氨酸,以銨為氮源),獲得酵母菌和乳酸菌(Lactiplantibacillusplantarum和Lactococcuslactis)的互作模型。隨后靶向代謝組研究發現,0～18 h內酵母菌生長繁殖使胞外氨基酸(如谷氨酰胺、谷氨酸和色氨酸等)由緩慢增加至迅速上升,乳酸菌攝取利用這類氨基酸,6 h內氨基酸含量緩慢減少,當乳酸菌數量持續增加,此后30 h內胞外氨基酸濃度又降至初始值。在環境營養素可滿足酵母菌-乳酸菌共生的條件下,通過氨基酸交叉喂養可以顯著增加合成群落中乳酸菌的數量(酵母菌數量略增加),并在自然發酵體系(如葡萄酒)中得到很好的驗證[8,53],這表明營養素的交叉喂養有助于塑造微生物群落。

最后,發酵食品中微生物交叉喂養是時間上持續變化的過程,因此如何調控并穩定微生物動態交叉喂養存在巨大挑戰。有研究表明,無論是時間上連續或間歇施加控制信號,需要控制的最小驅動物種集合是一致的[38]。對于發酵食品而言,間歇控制顯然比連續控制更方便,例如通過在特定的發酵時點改變發酵體系中微生物可利用的營養素比例[8]或加入某些外源微生物[54]等方式操控最小驅動物種,改變群落的交叉喂養結構,最終調控發酵食品的品質。通過時序數據建立發酵食品微生物交叉喂養動態網絡并間歇操控最小驅動物種對于發酵劑的選擇與發酵過程的調控具有重要作用,但要把該控制理論轉化到應用還有很長一段路要走。

2.2 環境的空間結構——空間角度

微生物群落的空間結構是交叉喂養的決定因素,可以推動群落動態演變[55-56]。相比空間非結構化環境,空間結構化環境更容易使微生物接收到合作伙伴反饋的信息,進而發生交叉喂養相互作用,并可能與合作伙伴間產生“積極分類”,以維持更長久的交叉喂養關系[57-59]。為了驗證這一假設,有研究測試了基因缺陷工程菌不動桿菌(Acinetobacterbaylyi)和大腸埃希氏桿菌(Escherichiacoli)專性組氨酸和色氨酸交叉喂養,實驗發現在結構化環境中營養缺陷型菌株間優先建立交叉喂養的合作關系,從而限制了非合作菌株從中獲取營養素[60]。此外,枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和印度梨形孢(Piriformosporaindica)的共培養發現,二者只有在空間結構化環境中共培養才能實現連續生長[61]。然而,發酵食品中的微生物通常生長在無規律的空間非結構化環境,這會干擾微生物的分布及其對營養素的可用性,最終影響群落微生物的交叉喂養模式[62]。受水分、酸度、營養素環境因素的分布等影響,不同空間層次分布著不同的微生物群落,各個群落都存在各自的動態交叉喂養結構。例如白酒窖池中的谷物發酵,有研究者通過非培養技術(PCR-變性梯度凝膠電泳等)測定了窖池不同部位微生物差異,發現耐酸乳酸菌(Lactobacillusacetotolerans)等大量乳酸菌占據了窖池的上層空間,簡單芽胞桿菌(Bacillussimplex)占據中層空間,陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)占據底層空間,這一分布模式導致窖池上層產生更多乙醇,下層產生更多酸性物質[57]。盡管該研究不足以揭示窖池不同部位的微生物群落特征及代謝差異,但獲得了不同空間營養素分布狀況及微生物群落組裝的規律。微生物和營養素的分布具有環境依賴性,為爭奪“領土”菌種間將發生緊密的合作或激烈的斗爭以滿足自身生長,不同群落中的優勢菌群往往對群落中大多數微生物的生長繁殖有一定影響[61],對其進行人為操控可引導群落內的縱向動態相互作用向有利于改善微生物生存環境的方向發展,如改善發酵食品的微生態環境優化產品品質。

3 探究微生物動態交互網絡的方法

目前主要基于多組學技術繪制微生物共現網絡以尋找發酵食品的核心菌群[6,17,49,63],并通過參考以往的經驗選擇菌群中的關鍵少數核心菌種以驗證其對發酵食品的貢獻[64]。但這種方法不能確定微生物間的動態交叉喂養關系,結果存在一定的偶然性,篩選微生物群落中關鍵少數菌種的效率低。因此需引入最小驅動物種這一概念,通過多組學模型和數據預測建立發酵食品微生物動態交互網絡,并篩選可調控整個網絡的關鍵節點即最小驅動物種關鍵少數菌種,最后在發酵食品中建立共培養實驗驗證關鍵少數菌種的營養相互作用關系及對發酵食品品質的貢獻(圖3)。

a-發酵食品;b-組學技術對發酵過程的實時監控;c-發酵過程中菌群互作網絡的時序性變化;d-核心微生物群落的挖掘;e-模擬體系中核心微生物群落相互作用圖3 發酵食品中微生物動態交互網絡及核心菌群篩選的研究策略Fig.3 The strategy for microbial dynamic interactive network and screening of core community in fermented food

3.1 實驗技術應用

了解發酵食品微生物動態交互網絡,首先必須明確微生物群落的組成和功能特性。近年來逐漸積累的公共數據庫以及宏基因測序深度和精度不斷提升,有助于高分辨率縱向動態分析發酵食品微生物群落組成和功能的變化。另外,近乎完整的微生物基因組聚類分析宏基因組的分箱技術,可以從菌株水平鑒定營養缺陷[65-67]。在此基礎上,聯合宏轉錄組、宏蛋白組和宏代謝組技術,采用高通量測序、質譜方法等從mRNA、蛋白和代謝水平研究發酵食品微生物組的功能組成及代謝能力,實時監測某一條件或某一時刻微生物群落的代謝網絡并整合時間序列網絡圖譜,幫助解析網絡中的動態交叉喂養(圖3-b,圖3-c)[65-66]。雖然時序性多組學數據能夠揭示發酵過程中微生物群落動態演化,但群落內(間)的分子相互作用容易被大量數據淹沒,僅用多組學分析很難了解生態因素在整個發酵過程中的核心作用。即便提高測序深度,也很難檢測到群落中的稀有物種[68]。因此,完善微生物交互網絡還需借助培養組學,利用多種培養條件培養自然發酵食品中的難培養細菌,挖掘更多潛在功能微生物,分析它們的代謝特征,尋找未知功能序列等[68-69]。此外,共培養實驗限定為有限種類的微生物,并根據微生物生長環境(pH變化、營養素分布等)合理設置實驗室內共培養條件可用于鑒定可培養微生物和潛在功能微生物間的交叉喂養及內在機理,幫助理解微生物群落的組裝和演化(圖3-e)[8,70]。

3.2 建立模型

構建基于基因組序列注釋和生化信息整合的基因組規模代謝網絡為全面理解和理性調控微生物代謝功能提供了諸多方便,可以從代謝物和代謝流水平找到調控微生物代謝功能的關鍵因子,發現承擔絕大多數代謝途徑的關鍵少數菌種,反映參與微生物生理代謝的所有化合物和酶之間的相互作用,涉及到基因組、蛋白質和酶、代謝產物和代謝途徑、生化反應等諸多數據。此外,通過代謝流平衡分析可以預測不同生長條件下微生物的代謝表型及代謝產物的定向流動,幫助解析微生物間的交叉喂養網絡[71]。基因組規模代謝網絡模型的構建需要基因組、蛋白質、代謝物、代謝途徑等多種數據庫聯合使用,設計合理的動態模型是精準構建龐大數據之間關聯性的有效方法。基于計算和數據理論的動態模型可以將復雜的時序性高通量數據以數學表達式的方式呈現,用于描述微生物代謝網絡的動態并加以調控[72],建模的方法包括排序不等式[73]等。此外,基于主體的模型已被用于模擬微生物之間的相互作用,預測微生物對底物的吸收和轉化反應,微生物之間的反饋機制以及外部條件對群落的影響,但該模型受限于微生物的數量,難以描述復雜微生物群落的動態[74-75];基于常微分方程(ODEs)的模型借助動力學參數常用于預測純培養或共培養微生物的動態(涉及代謝物的消耗和生產),探究微生物對不同營養物質的偏好,幫助理解微生物如何選擇合作伙伴,該模型的缺點是需要根據原位測定的數據決定模型的參數,因此僅限于研究少數微生物的相互作用[75]。由于不同模型具有特定的優缺點,因此模型的選擇取決于研究目標。研究發酵食品的最終目的是從菌株水平了解群落生態系統的組裝和演化,為此,基因組規模的代謝模型可作為最優選擇,其他動力學模型予以輔助,并通過實驗驗證不斷將模型優化,獲取最佳預測效果。

4 總結與展望

雖然微生物營養缺陷引起的交叉喂養對塑造發酵食品微生物群落具有重要貢獻,但仍缺乏菌株水平交叉喂養的縱向研究,微生物間復雜的互作動力學僅在少數共培養實驗中得到證實[8,76]。宏基因組測序深度不足及不能分辨菌種的存活狀況阻礙了研究者從菌株水平判斷微生物交叉喂養網絡[66]。由于營養素可用性及其在微生物間的流動會隨時間劇烈變化[12],鑒定自然發酵食品微生物群落中的動態交互作用極具挑戰,理解自然發酵食品中微生物的高階相互作用將更加依賴于培養組學對未知菌種的挖掘[69],多組學技術解析微生物動態交互網絡的縱向研究[66]以及基于高級計算工具的數據分析[60]和動力學模型的建立[72]。目前尋找自然發酵食品核心菌群僅關注其對發酵風味、安全等屬性的還原程度[6,50,63-64],影響品質屬性的機制大多是未知的。盡管商業發酵劑保障了發酵食品安全性和穩定性,但風味和口感不足以媲美自然發酵食品[3,77]。為了解決以上問題,未來應更多從生態學角度理解發酵食品,在建立發酵食品菌株水平動態交互網絡的基礎上,采用計算機建模的方式尋找并操控網絡中的最小驅動物種,最終在實踐中達到精確完美調控發酵食品菌群動態交互網絡的目的。