凌恩客户文献|宏基因组binning解析中国浓味白酒窖泥微生物群落MAGs和代谢潜力

近期,凌恩生物客户四川农业大学在《Food Research International》(IF=6.475)期刊发表题为“Metagenome and analysis of metabolic potential of the microbial community in pit mud used for Chinese strong-flavor liquor production”的研究论文。通过宏基因组binning解析了中国浓香型白酒窖泥微生物群落MAGs组成结构和代谢潜力。

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研究背景

窖泥(pit mud, PM)的复杂微生物群在发酵过程中对风味和中国浓味白酒(Chinese strongflavor liquor, CSFL)的品质起重要作用。然而,了解PM中整个微生物的分类学和功能多样性仍然是一项重大挑战。本研究基于宏基因组测序,通过对微生物群落结果和binning重建的MAGs功能分析,对PM微生物组进行了研究。

实验设计

  • 样本收集

PM样品于2017年12月从中国四川宜宾酒厂收集。收集来自同一发酵地窖的三个不同内壁(每个位置 100 g PM)的子样品并混合成复合样品,从11个发酵酒厂中收集了总共20个样品。

  • 高通量测序

宏基因组测序+宏基因组Binning。测序共获得611.8 Gbp数据量,平均每个样本30.58 Gbp。

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图1 实验设计流程图

研究结果

1、PM微生物群落组成

测序数据中有32.97%的宏基因组DNA序列在分类学上进行了分类(图1A)。其中,古细菌是最普遍的(51.77%),其次是细菌(46.16%)和真菌(0.82%),其余的1%包含病毒(噬菌体)和其他杂种序列。

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图2 宏基因组总DNA序列分类

所有样本中丰度最高的门是Euryarchaeota,其次是Firmicutes,Proteobacteria,Bacteroidetes和Actinobacteria。样本中总共鉴定出五种古细菌门,包括92个属和194个种;35个细菌门,包括1,045属和3,550种,其中Firmicutes(62.35%),Proteobacteria(14.73%),Bacteroidetes(12.01%)和Actinobacteria(5.74%)丰度最高;5种真菌门,包括161属和269种。

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3 基于宏基因组序列的PM中古细菌、细菌和真菌的系统发育进化树

2、宏基因组binning

宏基因组序列binning组装后,一共重建了703个MAG(完整性≥80%,污染≤10%),包括617个高质量MAG(完整性≥90%,污染≤5%)。

MAGs总共鉴定到304种菌株,其中197个种和94个属被鉴定为是新颖的。注释结果前三的物种分别为Firmicutes(n=406),Euryarchaeota(n=130)和Bacteroidetes(n=74)。

 图4 宏基因组binning重建来自20个窖泥的703个MAGs系统发育进化树

3、宏基因组MAGs功能注释

eggNOG数据库总共注释了1,491,619个基因,主要是与代谢有关的蛋白质,其次是与信息存储和加工有关的蛋白质,以及与细胞过程和信号相关。有40,479个参与碳水化合物的代谢。

KEGG对总共358,337个基因进行了注释。PM微生物群是产生各种风味化合物的原因,尤其是CSFL中己酸乙酯与乳酸乙酯、乙酸乙酯和丁酸乙酯平衡的产物。在PM MAGs中发现了以乙醇和乳酸为底物的反向β-氧化作用的关键基因。

在703个MAG中,有234个编码的基因产生次级代谢产物。推断由PM种群产生的三大类次要代谢物包括细菌素(123 MAGs),半乳糖肽(109 MAGs)和萜烯(34 MAGs)。

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图5 (A)碳水化合物活性酶类和(B)与糖酵解和己酸代谢途径相关的酶在MAGs中的分布

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图6 (A)编码萜烯合成途径典型基因簇(红色)和其相似基因簇(蓝色)示意图。(B)总基因簇分布热图。

参考文献

Metagenome and analysis of metabolic potential of the microbial community in pit mud used for Chinese strong-flavor liquor production. Food Research International, 2021.

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