2024年01月13日，華南農業大學林業與園林學院張慶教授團隊在《Chemical Engineering Journal》雜志上發表了以《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，該研究通過多組學分析方法，深入探討了青貯飼料的好氧變質過程，并提出了一種新的策略來改善青貯的有氧穩定性，這對于動物生產和環境保護具有重要意義。
 
標題：Novel strategy to understand the aerobic deterioration of corn silage and the influence of Neolamarckia cadamba essential oil by multi-omics analysis（利用多組學分析了解玉米青貯好氧變質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）是一種厭氧發酵飼料，容易受到不良微生物活動的影響而發生有氧惡化。這種惡化會導致重要營養成分的減少，影響動物生產性能和食品安全。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，研究者進行了宏基因組學、轉錄組學和代謝組學的分析。

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）進行了溫度、發酵質量、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定性的影響和機制。
 
研究結果：
玉米青貯的有氧惡化：全株玉米青貯在有氧條件下出現惡化，包括溫度上升、pH值變化、酵母和霉菌計數的增加，以及乳酸和乙酸含量的減少。同時通過主坐標分析（PCoA），觀察到微生物群落結構發生變化。在有氧惡化過程中，特定的細菌和真菌群落（如Bacillales、Clostridiales、Saccharomycetales和Eurotiales）的相對豐度增加，這些可能是導致青貯有氧惡化的原因（圖1，表1）。其中微生物群落動態與化學成分的變化有關，同時與青貯的營養價值和穩定性密切相關（圖2）。
  圖1A展示了全株玉米青貯在14天暴露于空氣后發霉的過程。
圖1B展示了pH值和酵母計數隨時間的變化，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。
圖1C-D通過主坐標分析（PCoA）展示了細菌和真菌群落結構在不同時間點的變化。
圖1E-F反映了細菌和真菌的動態變化。
  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數據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。通過轉錄組學分析，研究了NCL精油處理后Candida glabrata和Niallia circulans的基因表達變化。結果顯示，NCL精油可能通過影響這些菌株的能量和物質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基因的火山圖。紅色和綠色點分別代表上調和下調的差異表達基因。
圖3E-F展示了Niallia circulans和Candida glabrata在NCL精油處理后，與KEGG途徑相關的基因表達變化。
 
NCL精油對青貯有氧穩定性的影響：添加NCL精油可以提高全株玉米青貯的有氧穩定性，通過防止酸度下降、溫度和pH值上升、酵母和霉菌計數增加，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）。通過轉錄組學和代謝組學分析，研究還發現，NCL精油如何通過下調與代謝途徑相關的基因表達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、酵母和霉菌計數的影響。結果顯示，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。 圖5表明NCL精油處理顯著改變了微生物群落的結構，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。

研究結論
NCL精油通過抑制代謝活動，特別是Saccharomycetales和Bacillales等促進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定性。這項研究為控制有氧惡化提供了新的視角和目標，并為高質量青貯生產提供了理論基礎。研究建立的微生物群落和菌株分析策略可能對生物質、飼料、食品等的發酵研究提供可能性。

參考文獻：
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.