顶级综述聚焦发酵食品中的微生物组组装，总结了“扩散-选择-多样化-漂移”框架和群落丰度及多样性的重要作用

原创上海天昊生物

发酵食品和饮料主要依靠微生物群落的生长来产生不同的风味和口感，提供了更长的保质期和更丰富的营养。几个世纪以来，各种类型微生物已用于数百种不同发酵食品和饮料的生产。人们已经对发酵食品中的微生物多样性有了较为深刻的了解，但目前对于发酵过程中微生物组如何组装的机制仍然缺乏认识。

近期，发表在顶级综述杂志《Annual Review of Microbiology》的文章，从生态学和进化学角度强调了发酵食品微生物组组装的重要性，并提出了一些未来研究和应用的方向。通过了解扩散、选择、多样化和漂移如何产生发酵食物群落的多样性，为管理发酵食品微生物群落提供新的方法。该文也提到了微生物群落丰度及多样性在研究如何塑造发酵食品微生物组的特征及组装过程中的重要作用。

英文题目：Microbiome Assembly in Fermented Foods

中文题目：发酵食品中的微生物组组装

发表时间：2023-9-15

影响因子：10.5 （一区Top）

1. 引言

2. 三种发酵食品作为微生物组组装案例研究

3. 发酵食品中的微生物扩散

4. 发酵食品微生物组中的非生物选择

5. 发酵食品微生物组中的生物选择

6. 发酵食品中微生物种类和群落的多样化

7. 发酵食品中的生态漂移

8. 结论

文章通过三种不同类型的发酵食品（发酵蔬菜、奶酪和酸面团发酵剂）作为案例研究，强调了微生物组成的多样性和复杂性。这些案例研究表明，不同类型的食品发酵过程会涉及不同的微生物群落，这些微生物群落在发酵过程中起到关键作用。因此，微生物的群落组成和多样性对于每种食品类型的特性和质量都至关重要。

文中提到微生物在发酵食品中的扩散过程受到来源限制和扩散限制的影响。来源限制意味着微生物群落的起源（物种库）中可能存在丰度低的微生物，这会影响它们向发酵食品环境的扩散。这一观点突出了不同微生物在不同环境中的丰度差异，这可能是由于来源限制造成的。因此，微生物的群落丰度和多样性在食品发酵的初期扩散过程中是很关键的。

另外，微生物之间的相互作用在食品发酵中具有重要作用，可以影响微生物的群落组成和多样性。文章中提到了微生物之间的直接和间接相互作用，这些相互作用可以影响微生物的生长和代谢活动。微生物之间的协作和竞争关系也会影响它们的丰度和多样性。

图1、扩散、选择、多样化和漂移塑造了包括发酵食品微生物组在内的生态群落多样性。不同颜色的圆形代表不同微生物种类的细胞。在扩散过程中，微生物细胞从更广泛的物种库到达发酵食品基质上。在选择中，非生物环境（营养物质和压力源，由红色六边形表示）和生物环境（微生物相互作用，用加号和减号的线表示）结合起来影响单个微生物细胞的适应性，随后影响种群的增加或减少。在多样化中，新的遗传和/或表型谱系来自当地群落（从黄色椭圆形细胞的初始基因型中出现橙红色椭圆形细胞）。漂移导致微生物群落内物种丰度的随机变化，并解释为什么一些稀有微生物在发酵中灭绝。

图2、发酵食品微生物组中的扩散过程。不同颜色的圆形代表不同微生物种类的细胞。（a）来源（顶部）和扩散（底部）的限制都可以解释发酵食品微生物组中微生物的丰度。在来源限制中，物种库中的繁殖体丰度低，导致向发酵食品环境的扩散有限。在扩散限制中，扩散因素（人类、风、动物等）不能将物种的繁殖体从物种库转移到发酵食品基质上。（b）可作为发酵食品微生物组来源的不同物种库及其对奶酪、酸面团和发酵蔬菜微生物组组装的相对贡献。（原文图3）

通过了解微生物组组装的机制，人们可以开发新的发酵食品工艺。例如，如果我们想在传统发酵中添加新的微生物物种以改变它们的风味和口感，我们需要了解在这种发酵中运行的生态和进化限制有哪些。哪些非生物选择压力会促进或抑制新物种的建立？我们是否有办法促进现有菌株的多样化，以促进新物种的加入等等。可见，弄清微生物组组装过程对发酵食品的生产意义重大。

值得一提的是，前人在以往多篇Nature及子刊文章均已指出，在研究微生物组装等变化过程时，对微生物的“绝对定量”而不是“相对定量”检测至关重要，采用“绝对定量”数据更加真实准确，更具可信性（文章链接：多篇Nature强烈建议：微生物真实差异、疾病标记物、核心菌群筛选、模型预测、动态变化、菌群互作网络、群落组装要用“绝对定量”）。

菌群组装过程主要由微生物之间不对称的相互作用驱动，而基于相对丰度的数据推断出的相互作用会产生误导性的错误结果。（图片来源：Nature，2021）

属于微生物组“绝对定量”的

时代已经到来！！！

天昊生物开发的微生物Accu16S^®细菌与AccuITS^TM真菌绝对定量测序技术，就是一种基于添加内标序列的微生物绝对定量检测方法。本技术通过向样品DNA中添加天昊专利的人工合成已知拷贝数内标序列，然后进行16S/ITS扩增子文库构建、测序，再根据内标序列reads数及其绝对拷贝数绘制出标准曲线，最后可获得样品中OTU代表序列对应的细菌物种绝对拷贝数。利用该方法，我们可以同时获得绝对定量分析结果、常规扩增子相对定量结果，以及相对定量与绝对定量的比较分析结果，可谓“一次检测，三套结果”，数据更加全面准确。

天昊生物绝对定量专利授权书

1、只能获得相对定量结果，可能推导出错误结论；

2、传统qPCR等方法定量费时费力，无法避免跨平台系统误差；

3、针对特殊样本，无法排除PCR抑制剂干扰。

上图为微生物群“相对丰度(Relative abundance)”和“绝对丰度(Absolute abundance)”随时间变化比较示意图。只检测相对定量数据会掩盖了潜在微生物群落的动态变化，使变化过程中的差异更难被发现。（图片来源：Nature，2021）

上图为人类肠道菌群变化与微生物定量方法之间存在差异。本研究发现克罗恩氏病患者（CD）和对照人群（Control）粪便微生物的“相对丰度(RMP)”和“绝对丰度(QMP)”结果，在一些菌属中存在显著性差异。只考虑“相对定量”结果，可能会造成结论的错误或者关键菌属信息的丢失。（图片来源：Nature，2017）

一次检测，三套数据，结果更丰富；
对样本的需求量要求低，避免因样本无备份等造成的无法检测情况；
检测通量高，检测合格范围内各类菌种均可绝对定量；
相对定量和绝对定量数据相互印证，减少传统相对定量假阳性问题；
避免跨平台qPCR定量的系统误差；
内标法比qPCR在定量上具有更高的特异性、灵敏度和更好的一致性；
避免因样本DNA抽提等原因造成的PCR抑制剂残留对结果准确性的影响；
避免qPCR等定量实验碰到的引物设计和优化难题。

取得成绩

截至目前，天昊客户利用微生物绝对定量测序共发表SCI文章52篇，其中JCR分区在Q1区的高分文章多达27篇，研究领域涉及医学、环境、食品、农学和生态等各个领域，样本类型包括人类及动物粪便、土壤、体外发酵液、水体生物膜、酒类发酵物及口拭子DNA样本等。

天昊客户文章中关于“绝对定量”和“相对定量”异同结果描述：

关于天昊

上海天昊生物科技有限公司，2008年4月创建于上海浦东张江高科技园区。2014年天昊生物被评为“高新技术企业”。2018年1月，天昊生物获得“科技型中小企业”荣誉称号。2018年3月天昊生物荣获“浦东新区企业研发机构”称号，2023年被评为“上海市专精特新中小企业”。

目前天昊生物在人类医学遗传、动植物和微生物领域已经涵盖了科研服务体系超过100类，迄今已经为国内外近1300多家科研院校、医疗单位和生物公司提供了超过2万多项科研技术服务。

近年来，天昊生物在进行高质量技术服务的同时始终重视自主创新，独立研发了AccuCopy^®、 CNVplex^®多重DNA拷贝数检测技术，iMLDR^®、SNPscan^®多重SNP分型方法等具有国际水平的专利技术。另外利用二代测序平台不断研发出多项创新型基因分析技术，如FastTarget^®多重目的区域富集测序技术、SSRseq^®超高通量SSR分型技术、MethylTarget^®及多重目的区域甲基化富集测序技术等。

官方网址：http://www.geneskybiotech.com

往期相关链接：