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FRI：通过多组学分析揭示了葡萄园风土条件中真菌群落的作用以及在麝香葡萄发酵过程中的作用
发布时间：
2026-02-24
来源：
组学加
摘要
葡萄酒微生物群落是塑造葡萄酒风土的关键因素。迄今为止，微生物特征如何影响葡萄酒代谢谱仍知之甚少。为解决这一问题，本研究采用整合的鸟枪法宏基因组学和非靶向代谢组学方法，对意大利和希腊收获的麝香葡萄葡萄酒发酵过程中的葡萄酒代谢组进行了研究，并将参与葡萄酒发酵的微生物群落的组成和功能联系起来。β多样性分析突显了意大利和希腊真菌风土的差异。发酵过程中多样性显著降低，表明接种的酿酒酵母菌株占主导地位。LEfSe 分析显示，希腊样本中托拉酵母属德布鲁克酵母显著富集，而意大利样本中马克斯克鲁维酵母和乳酸克鲁维酵母更为丰富。功能分析揭示了核苷酸、脂肪酸和赖氨酸代谢的地域差异。能量、碳水化合物和氨基酸代谢的显著变化反映了风土特异性微生物活动。代谢组学数据突出了寡糖、糖基化酚类、肽和氨基酸周转以及中心氧化还原代谢物的区域差异，表明由风土和发酵条件塑造的微生物反应和代谢轨迹存在差异。所获结果突显了这种多组学方法在识别特定产品的真菌群落和葡萄酒代谢物特征方面的有效性，为确保葡萄酒的真实性和质量控制提供了新的工具。
引言
在过去十年间，组学技术的进步彻底改变了食品分析领域，由此催生了“食品组学”这一术语（即利用组学工具提供不同表达水平的分子信息，并促进在系统生物学框架内整合这些数据）。最初专注于食品安全，这些新兴方法如今已涵盖广泛的应用，包括质量研究、地理来源、可追溯性、代谢物、微生物群落的功能成分以及复杂生物系统。在发酵过程中应用这些技术为探究不同阶段所涉及的微生物群落提供了宝贵的机会，能够实现详细的微生物特征描述、追踪以及对其相互作用和代谢活动的深入了解。
在发酵食品中，葡萄酒因其全球分布、经济价值、传统和文化意义而成为研究最为广泛的产品之一。微生物群落将葡萄汁转化为发酵饮料并塑造葡萄酒独特特征的核心作用已得到充分证实。弄清楚“谁”执行“什么”功能，“谁”与“谁”在生态上相互作用，以及生态系统内种群动态的波动如何影响功能，对于管理和优化发酵过程以及确保不同年份葡萄酒特征的一致性至关重要。同样，这种持续的相互作用随着时间的推移塑造并强化了葡萄酒独特的风土特征，并定义了与特定地区相关的葡萄酒风味特征和质量。
众多研究都致力于利用依赖培养和不依赖培养的技术来探索、识别和分离葡萄汁和葡萄酒中的微生物群落。Sirén 等人（2019 年）曾对葡萄酒微生物生态学研究中 -omics 技术的应用进行过综述，而 Belda 等人（2020 年）和 Alexandre（2020 年）则讨论了风土方面的问题。迄今为止，代谢组学方法已被用于研究中国、智利（Sáez 等人，2021 年）、意大利北部南蒂罗尔（Duley 等人，2024 年）等地不同葡萄园的风土概念，或者如 Alañón 等人（2015 年）和 Pinu（2018 年）所概述的其他地区。这种分析能够对细胞最下游产物——复杂基质（如葡萄酒）中的代谢物进行高通量的鉴定和定量，并对细胞的代谢和表型特征进行更全面的分析。此外，它还允许寻找特定的生物标志物来识别问题、监测发酵过程以及评估特定技术对葡萄酒成分的影响。
扩增子测序已在众多研究中被广泛用于探索葡萄园和葡萄酒微生物群落。实际上，该技术已被用于研究世界各地不同地区的风土概念，包括纳帕县、加利福尼亚州和俄勒冈州、意大利北部和西班牙北、智利、西班牙以及塞浦路斯。基于 DNA 的宏基因组测序可分为两种方法：扩增子测序（也称为宏条形码或宏分类学），涉及对微生物群落样本中基因组 DNA 的特定区域进行 PCR 扩增和测序；以及鸟枪法宏基因组测序，这是一种非靶向方法，对样本中存在的所有遗传物质进行测序。第二种方法能够对酿酒过程中各个阶段的微生物群落及其相互作用进行研究。它还具有提供更高分辨率的优势，并且同时能让人深入了解所涉及的功能途径。
据我们所知，葡萄汁发酵的鸟枪法测序仅在少数研究中得到应用。斯特恩斯等人（2017 年）开展了一项研究，重点评估了两种不同类型的宏基因组分析。实际上，他们在霞多丽发酵的不同阶段对扩增子测序和鸟枪法测序进行了比较，发现对于检测到的大部分物种而言，这两种方法之间存在高度相关性，但对某些物种而言存在高估现象。另一项研究利用鸟枪法测序来探究赤霞珠葡萄汁微生物群落结构和功能潜力，结果表明葡萄汁是发酵过程中重要酶类的丰富来源（戈什等人，2021 年）。最后，高等人（2024 年）探究了赤霞珠自发发酵过程中微生物群落与主要代谢产物形成之间的联系，发现酿酒酵母是主要相关属，其次是汉逊酵母、塔图霉和乳酸菌，它们与风味物质的生成有关。
多组学的持续扩展提高了从葡萄酒微生物群中提取的信息量和复杂性 。像宏基因组学、转录组学、宏蛋白质组学、代谢组学、统计学和生物信息学这样的工具应当融合起来，为葡萄酒酿造过程提供见解。这种协同方法不仅加深了我们对葡萄酒生产中复杂机制的理解，还促进了创新并提升了行业质量。这种方法对于理解整个微生物群落对最终产品的影响至关重要。尽管这种多学科方法在普洱茶、香肠和奶酪成熟等其他食品基质的研究中已成功应用，但在葡萄酒领域，这种方法的应用仍处于未充分开发的状态。从这个角度来看，Bokulich 等人（2016 年）通过结合扩增子测序和代谢组学分析，证明了具有潜在发酵活性的本地微生物群与葡萄酒产区特定感官特征之间存在明显的相关性。
主要内容
同样，在本研究中，采用整合的宏基因组和代谢组学方法，对希腊利姆诺斯岛和意大利皮埃蒙特地区所产麝香葡萄酒独特风味背后的真菌微生物群落进行了研究。通过全宏基因组鸟枪法测序和非靶向代谢组学分析，对这两个地区葡萄酒酒精发酵过程中的真菌微生物群落进行了探究。该方法旨在阐明微生物群落的演变及其在葡萄酒酿造过程中的功能贡献，以及这些微生物群落与接种发酵中酿酒酵母菌种的相互作用。
亮点
• 多组学结合宏基因组学和代谢组学揭示了微生物对葡萄酒的影响。
• 地理来源影响了真菌群落结构、功能和代谢组学特征。
• 功能分析表明，风土条件导致能量、碳水化合物和氨基酸利用方面的变化。
• 代谢组学显示，风土条件导致酚类物质、氧化还原相关代谢物和肽类的差异。
链接
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2026.118577
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