多組學(xué)分析揭示玉米青貯好氧變質(zhì)及黃梁木葉精油對其影響的研究

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，該研究通過多組學(xué)分析方法，深入探討了青貯飼料的好氧變質(zhì)過程，并提出了一種新的策略來改善青貯的有氧穩(wěn)定性，這對于動物生產(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)及黃梁木葉精油對其影響的研究）
時間：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的影響而發(fā)生有氧惡化。這種惡化會導(dǎo)致重要營養(yǎng)成分的減少，影響動物生產(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程及其潛在機制，以及黃梁木Neolamarckia cadamba（NCL）精油對這一過程的影響，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。

實驗方法：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間點（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，研究其對青貯有氧穩(wěn)定性的影響和機制。
 
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、酵母和霉菌計數(shù)的增加，以及乳酸和乙酸含量的減少。同時通過主坐標(biāo)分析（PCoA），觀察到微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在有氧惡化過程中，特定的細(xì)菌和真菌群落（如Bacillales、Clostridiales、Saccharomycetales和Eurotiales）的相對豐度增加，這些可能是導(dǎo)致青貯有氧惡化的原因（圖1，表1）。其中微生物群落動態(tài)與化學(xué)成分的變化有關(guān)，同時與青貯的營養(yǎng)價值和穩(wěn)定性密切相關(guān)（圖2）。
  圖1A展示了全株玉米青貯在14天暴露于空氣后發(fā)霉的過程。
圖1B展示了pH值和酵母計數(shù)隨時間的變化，這些變化與微生物群落的活動和青貯的有氧惡化過程相關(guān)。
圖1C-D通過主坐標(biāo)分析（PCoA）展示了細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)在不同時間點的變化。
圖1E-F反映了細(xì)菌和真菌的動態(tài)變化。
  圖2A展示了代謝物的聚類分析，顏色表示每個代謝物的積累水平，從低（綠色）到高（紅色）。
圖2B展示了代謝物的主成分分析，顯示了不同時間點樣本之間的差異。
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（綠色表示增加，紅色表示減少）。
圖2D展示了通過KEGG數(shù)據(jù)庫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)出強抗菌能力，其最低抑菌濃度（MIC）在0.624到10 μg/mL之間。通過轉(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精油可能通過影響這些菌株的能量和物質(zhì)代謝途徑來抑制其生長（圖3）。
  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代謝物的影響。
圖3B展示了NCL精油對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，通過防止酸度下降、溫度和pH值上升、酵母和霉菌計數(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等菌屬的相對豐度，從而抑制了有氧惡化過程中的微生物活動（圖5）。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析，研究還發(fā)現(xiàn)，NCL精油如何通過下調(diào)與代謝途徑相關(guān)的基因表達(dá)來抑制微生物的生長和代謝活動。


圖4展示了NCL精油對全株玉米青貯在7天有氧暴露期間溫度變化的影響，以及對pH值、酵母和霉菌計數(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數(shù)。 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揭示了NCL精油如何通過影響特定的代謝途徑，特別是氨基酸代謝，來抑制微生物的生長和代謝活動。

研究結(jié)論
NCL精油通過抑制代謝活動，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生物質(zhì)、飼料、食品等的發(fā)酵研究提供可能性。

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.