耐冷乳酸菌提升青藏高原菊芋青贮的有氧稳定性：微生物组与代谢组学机制解析

《Frontiers in Microbiology》：Cold-resistant lactic acid bacteria in Jerusalem artichoke silage: quality, microbiome and metabolome dynamics during aerobic exposure on the Qinghai-Tibet Plateau

本文研究了耐冷乳酸菌（LAB）接种对青藏高原菊芋青贮有氧暴露期间品质、微生物组和代谢组动态的影响。通过接种同型发酵的植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）GN02与异型发酵的短乳杆菌（Levilactobacillus brevis）XN25，发现GN02能有效维持低pH（<5）、高乳酸含量及营养物质保存，并富集乳酸菌、抑制腐败微生物（如肉食杆菌属、柠檬酸杆菌属）。代谢组学揭示黄酮类和十八烷类化合物上调，增强抗氧化防御并抑制碳水化合物降解通路。该研究为高寒地区青贮保鲜提供了理论依据，对促进高原畜牧业可持续发展具有重要意义。

　　

引言

青藏高原冷季饲草短缺严重制约畜牧业发展。菊芋（Helianthus tuberosus）作为新兴粮饲兼用作物，其地上部分生物量大、营养价值高，但青贮有氧暴露易导致营养流失和微生物腐败。本研究旨在评估接种耐冷乳酸菌——同型发酵植物乳杆菌（Lpl. plantarum）GN02与异型发酵短乳杆菌（Lv. brevis）XN25，对菊芋青贮有氧暴露期间品质、微生物组及代谢组动态的影响。

材料与方法

以"青芋2号"菊芋茎叶为原料，设置无菌水对照（CK）、GN02接种（YZ）、XN25接种（YD）及混合接种（YZD）四组，于-5~8°C发酵60天后，在-10~5°C下有氧暴露0、7、14天。检测pH、有机酸（LA、AA、PA）、干物质（DM）、水溶性碳水化合物（WSC）、粗蛋白（CP）、纤维（NDF、ADF）等发酵参数；通过16S rRNA和ITS测序分析微生物群落；采用LC-MS非靶向代谢组学解析代谢物变化。

结果

青贮品质分析

GN02接种组（YZ）在整个有氧暴露期间维持较低pH（<5）和较高LA、DM、WSC含量，抑制了NH₃-N上升和蛋白质降解。短乳杆菌接种组（YD）pH和NH₃-N显著升高，营养损失严重。混合组（YZD）效果介于两者之间。所有处理组NH₃-N/TN均低于10%，表明蛋白降解处于正常范围。

微生物群落分析

GN02接种显著降低细菌群落多样性，富集乳酸菌属（Lactobacillus），抑制肉食杆菌属（Carnobacterium）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter）等腐败菌。真菌群落以子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为主，接种处理对其影响较小。主坐标分析（PCoA）显示细菌群落结构受接种类型和暴露时间显著影响。

代谢组学特征

GN02接种组上调黄酮类和十八烷类化合物，如9,10-二高环氧硬脂酸（9,10-DiHOME）等，这些代谢物与抗氧化防御相关。碳水化合物降解通路（如半乳糖代谢）在接种组均被抑制。相关性网络分析表明，植物乳杆菌与多种十八烷类代谢物呈正相关，而腐败菌与多酚类防御性代谢物关联密切。

讨论

植物乳杆菌延缓有氧腐败

低温环境下，GN02通过维持酸性环境和抗氧化代谢物积累，有效抑制好氧微生物活动。高原低温和独特微生物生态可能延缓有氧腐败进程，与传统温带地区研究结论存在差异。

微生物调控机制

乳酸菌与WSC保存、低pH呈正相关，而腐败菌（如肉食杆菌）与pH升高、DM损失关联。物种水平分析进一步确认植物乳杆菌（Lpl. plantarum）的核心保护作用。

代谢防御网络

十八烷类和黄酮类代谢物上调可能构成青贮的抗氧化防御系统。植物乳杆菌通过激活氨基酸代谢和核苷酸合成通路，促进营养物质保存，而碳水化合物降解通路被抑制。

结论

接种耐冷植物乳杆菌GN02可显著提升高原菊芋青贮的有氧稳定性，其机制涉及微生物群落调控、抗氧化代谢物积累及营养降解通路抑制。该研究为高寒地区青贮饲料的优化保存提供了理论依据和技术支撑。