2024年01月13日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)與園林學(xué)院張慶教授團(tuán)隊(duì)在《Chemical Engineering Journal》雜志上發(fā)表了以《Novel strategy to understand the aerobic deterioration of corn silage and the influence of Neolamarckia cadamba essential oil by multi-omics analysis》為題的研究論文，該研究通過(guò)多組學(xué)分析方法，深入探討了青貯飼料的好氧變質(zhì)過(guò)程，并提出了一種新的策略來(lái)改善青貯的有氧穩(wěn)定性，這對(duì)于動(dòng)物生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

標(biāo)題：Novel strategy to understand the aerobic deterioration of corn silage and the influence of Neolamarckia cadamba essential oil by multi-omics analysis（利用多組學(xué)分析了解玉米青貯好氧變質(zhì)及黃梁木葉精油對(duì)其影響的研究）

時(shí)間：2024-01-13

期刊：Chemical Engineering Journal

影響因子：15.1

研究背景：青貯飼料（silage）是一種厭氧發(fā)酵飼料，容易受到不良微生物活動(dòng)的影響而發(fā)生有氧惡化。這種惡化會(huì)導(dǎo)致重要營(yíng)養(yǎng)成分的減少，影響動(dòng)物生產(chǎn)性能和食品安全。為了更好地理解青貯飼料的有氧惡化過(guò)程及其潛在機(jī)制，以及黃梁木Neolamarckia cadamba（NCL）精油對(duì)這一過(guò)程的影響，研究者進(jìn)行了宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的分析。

實(shí)驗(yàn)方法：研究者在2021年制備了全株玉米青貯，并在暴露于空氣中的不同時(shí)間點(diǎn)（0、3、7、14天）進(jìn)行了溫度、發(fā)酵質(zhì)量、微生物群落和代謝物的分析。隨后，提取并分析了NCL精油的成分，并研究了其對(duì)從有氧惡化青貯中分離出的微生物菌株的抗菌活性。最后，在2022年，將NCL精油添加到全株玉米青貯中，研究其對(duì)青貯有氧穩(wěn)定性的影響和機(jī)制。

 

研究結(jié)果：

玉米青貯的有氧惡化：全株玉米青貯在有氧條件下出現(xiàn)惡化，包括溫度上升、pH值變化、酵母和霉菌計(jì)數(shù)的增加，以及乳酸和乙酸含量的減少。同時(shí)通過(guò)主坐標(biāo)分析（PCoA），觀察到微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在有氧惡化過(guò)程中，特定的細(xì)菌和真菌群落（如Bacillales、Clostridiales、Saccharomycetales和Eurotiales）的相對(duì)豐度增加，這些可能是導(dǎo)致青貯有氧惡化的原因（圖1，表1）。其中微生物群落動(dòng)態(tài)與化學(xué)成分的變化有關(guān)，同時(shí)與青貯的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和穩(wěn)定性密切相關(guān)（圖2）。

圖1. 全株玉米青貯在空氣中暴露14 d的變化。

圖1A展示了全株玉米青貯在14天暴露于空氣后發(fā)霉的過(guò)程。

圖1B展示了pH值和酵母計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化，這些變化與微生物群落的活動(dòng)和青貯的有氧惡化過(guò)程相關(guān)。

圖1C-D通過(guò)主坐標(biāo)分析（PCoA）展示了細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間點(diǎn)的變化。

圖1E-F反映了細(xì)菌和真菌的動(dòng)態(tài)變化。

圖2 全株玉米青貯在空氣中暴露14 d的代謝組

圖2A展示了代謝物的聚類分析，顏色表示每個(gè)代謝物的積累水平，從低（綠色）到高（紅色）。

圖2B展示了代謝物的主成分分析，顯示了不同時(shí)間點(diǎn)樣本之間的差異。

圖2C展示了代謝物的K-means聚類分析，顏色表示代謝物在14天暴露期間的趨勢(shì)（綠色表示增加，紅色表示減少）。

圖2D展示了通過(guò)KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋的代謝物在不同代謝途徑中的分布，以及與青貯暴露前后的比較。

 

NCL精油的抗菌活性：NCL精油對(duì)從有氧惡化青貯中分離出的菌株（包括Candida glabrata和Niallia circulans）表現(xiàn)出強(qiáng)抗菌能力，其最低抑菌濃度（MIC）在0.624到10 μg/mL之間。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，研究了NCL精油處理后Candida glabrata和Niallia circulans的基因表達(dá)變化。結(jié)果顯示，NCL精油可能通過(guò)影響這些菌株的能量和物質(zhì)代謝途徑來(lái)抑制其生長(zhǎng)（圖3）。

圖3. NCL精油對(duì)變質(zhì)玉米青貯微生物菌種的影響。

圖3A展示了微生物群落與代謝物之間的相關(guān)性分析，揭示了微生物群落對(duì)代謝物的影響。

圖3B展示了NCL精油對(duì)分離菌株的最小抑菌濃度（MIC）。

圖3C-D展示了Niallia circulans和Candida glabrata在NCL精油處理前后的差異表達(dá)基因的火山圖。紅色和綠色點(diǎn)分別代表上調(diào)和下調(diào)的差異表達(dá)基因。

圖3E-F展示了Niallia circulans和Candida glabrata在NCL精油處理后，與KEGG途徑相關(guān)的基因表達(dá)變化。

 

NCL精油對(duì)青貯有氧穩(wěn)定性的影響：添加NCL精油可以提高全株玉米青貯的有氧穩(wěn)定性，通過(guò)防止酸度下降、溫度和pH值上升、酵母和霉菌計(jì)數(shù)增加，維持乳酸和乙酸含量（圖4，表2），以及降低Lysinibacillus、Bacillus、Paenibacillus、Clostridium、Aspergillus等菌屬的相對(duì)豐度，從而抑制了有氧惡化過(guò)程中的微生物活動(dòng)（圖5）。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析，研究還發(fā)現(xiàn)，NCL精油如何通過(guò)下調(diào)與代謝途徑相關(guān)的基因表達(dá)來(lái)抑制微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)。

圖4. NCL精油對(duì)空氣暴露后玉米青貯的影響。
圖4展示了NCL精油對(duì)全株玉米青貯在7天有氧暴露期間溫度變化的影響，以及對(duì)pH值、酵母和霉菌計(jì)數(shù)的影響。結(jié)果顯示，NCL精油的添加減緩了溫度上升，降低了pH值，并減少了酵母和霉菌的計(jì)數(shù)。

圖5. 全株玉米青貯暴露于空氣7天后微生物群落的相對(duì)豐度。
圖5表明NCL精油處理顯著改變了微生物群落的結(jié)構(gòu)，特別是在屬水平上的變化。

圖6. NCL精油處理后的玉米青貯在空氣中暴露7天后差異表達(dá)基因和差異積累代謝物的情況。
圖6揭示了NCL精油如何通過(guò)影響特定的代謝途徑，特別是氨基酸代謝，來(lái)抑制微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)。

研究結(jié)論
NCL精油通過(guò)抑制代謝活動(dòng)，特別是Saccharomycetales和Bacillales等促進(jìn)有氧惡化微生物的氨基酸代謝，改善了全株玉米青貯的有氧穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究為控制有氧惡化提供了新的視角和目標(biāo)，并為高質(zhì)量青貯生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。研究建立的微生物群落和菌株分析策略可能對(duì)生物質(zhì)、飼料、食品等的發(fā)酵研究提供可能性。

關(guān)于易基因宏基因組學(xué)測(cè)序研究方案

由于擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)關(guān)注的是目標(biāo)基因的若干區(qū)域，因此其分辨率有限，一般認(rèn)為較為準(zhǔn)確的分類水平到屬級(jí)別。雖然擴(kuò)增子測(cè)序也可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)映射預(yù)測(cè)群落可能的功能網(wǎng)絡(luò)，但是微生物遺傳片段交流比較頻繁，功能基因的橫向轉(zhuǎn)移也較為普遍，依托于有限菌株建立的功能映射無(wú)法盡可能的還原群落的真實(shí)功能網(wǎng)絡(luò)。全宏基因組測(cè)序技術(shù)直接對(duì)提取的全宏基因組DNA建立隨機(jī)小片段文庫(kù)，能夠獲取更多的序列信息。通過(guò)組裝、ORFs預(yù)測(cè)與注釋，可以大大提高分類水平部分至菌株級(jí)別，并通過(guò)各種大型公共數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)功能注釋，盡可能真實(shí)的獲取群落功能網(wǎng)絡(luò)信息。高精度的分析結(jié)果也使相關(guān)動(dòng)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)更加具備可行性。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1)      超深度視野： 提取的全宏基因組DNA建立隨機(jī)小片段文庫(kù)，避免了目的片段的PCR過(guò)程，降低bias，隨機(jī)測(cè)序，獲取更豐富的序列信息；

2)      更精確分類定位： 最大限度地獲取全宏基因組序列信息，通過(guò)組裝延伸，可精確定位部分序列至分類學(xué)菌株水平；

3)      真實(shí)可靠的功能分析： 不再是依托映射數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行功能預(yù)測(cè)，而是通過(guò)測(cè)得的功能基因序列盡可能真實(shí)還原構(gòu)建微生態(tài)系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)驗(yàn)策略：

分析流程：

樣本及周期：

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參考文獻(xiàn)：

Shuo, Wu & Peishan, Huang & Chao, Zhang & Wei, Zhou & Xiaoyang, Chen & Qing, Zhang. (2024). Novel strategy to understand the aerobic deterioration of corn silage and the influence of Neolamarckia cadamba essential oil by multi-omics analysis. Chemical Engineering Journal. 482. 148715. 10.1016/j.cej.2024.148715.

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