通过共接种实验和元转录组分析，探索草鱼腐败细菌之间的相互作用及其发生机制

《Food Research International》：Exploration of pairwise interactions between grass carp spoilage bacteria and their occurring mechanisms using co-inoculation experiments and meta-transcriptomic analyses

细菌互作主导草 carp 腐败过程，抑制性竞争占主导，高阶互作缓解竞争，代谢通路（如赖氨酸合成、硫代谢）介导互作机制。

　　

张雪颖|王欣茹|庄帅|罗丽萍

教育部与北京工商大学老年营养与健康重点实验室，北京100048，中国

摘要

鱼类腐败细菌之间存在广泛的相互作用，这些相互作用被认为是影响微生物群落演替的主要因素。草鱼是一种广泛食用的淡水鱼，由于微生物的生长和代谢作用，其易腐性非常高。然而，草鱼中主要腐败细菌之间的相互作用及其潜在机制尚未得到充分研究。在本研究中，我们通过将这些细菌共接种到鱼肉汁中，确定了它们之间的 pairwise 关系，并利用分类单元剔除实验和元转录组分析方法揭示了这些相互作用的发生机制。单菌种和双菌种共接种实验结果表明，抑制性竞争是草鱼腐败细菌之间的主要作用方式。S. putrefaciens 是最具竞争力的菌种，具有较高的腐败潜力，在细菌竞争网络中处于顶层。此外，三菌种共接种实验显示，在三菌种共存环境中， pairwise 竞争有所减弱，这表明草鱼腐败细菌之间存在更复杂的相互作用。元转录组分析结果表明，精氨酸生物合成和硫代谢途径是调节 S. putrefaciens 与 P. putida 之间相互作用的主要途径。碳水化合物代谢，尤其是戊糖磷酸途径的紊乱，是导致 S. putrefaciens 与 A. rivipollensis 之间抑制作用的主要原因。最后，组氨酸代谢和硫同化途径的改变被确定为 A. rivipollensis 与 P. putida 竞争的分子基础。总体而言，本研究在受控的鱼肉汁模型中验证了草鱼腐败细菌之间的 pairwise 相互作用，这有助于阐明鱼类微生物群落变化的规律，但需要在真实的鱼肌肉组织中进一步验证。

引言

草鱼是一种典型的淡水鱼，以其快速的生长速度和高营养价值而受到欢迎（Huang 等，2017）。2023 年，全球草鱼的养殖产量达到了 6219 万吨，使其成为世界上产量最高的淡水鱼（FAO，2025）。然而，由于多种细菌的污染、定殖和代谢作用，草鱼及其他淡水鱼在储存过程中极易腐烂。

因此，先前的研究广泛探讨了鱼类微生物群的组成，并展示了储存过程中微生物群落的分类变化（Zhuang 等，2021）。新鲜鱼肉中的微生物群通常由多种细菌组成，如 Acinetobacter 属、Kocuria 属、Psychrobacter 属、Sphingobacterium 属、Moraxella 属和 Flavobacterium 属（Jia 等，2018；Liu 等，2018；Skírnisdóttir 等，2021；Tian 等，2022；Zhao 等，2021）。然而，随着储存时间的延长，鱼体内微生物群落的丰富度和多样性逐渐下降，Acinetobacter 占据主导地位，品质指标也逐渐恶化（Huang 等，2018；Jia 等，2018；Tian 等，2022；Zhang 等，2025；Zhuang 等，2019；Zhuang 等，2020）。最终，具有强腐败潜力的细菌（如 Aeromonas 属、Pseudomonas 属和 Shewanella 属）成为优势菌种，导致鱼肉进一步变质（Tian 等，2022；Yang 等，2024；Zhang 等，2023；Zhao 等，2021；Zhuang 等，2020；Zhuang 等，2022）。关于草鱼，我们的先前研究发现 Kocuria rhizophila 和 Acinetobacter johnsonii 是新鲜草鱼肉中的优势菌种（Wang 等，2014），而 Pseudomonas putida、Aeromonas rivipollensis 和 Shewanella putrefaciens 是腐败样本中的优势菌种（Zhuang 等，2022）。总体而言，包括草鱼在内的鱼类微生物群落的变化已经得到了充分研究。然而，驱动微生物群落演替的内在原因和机制仍知之甚少。

相比之下，植物学研究中深入探讨了微生物群落演替的机制，发现 pairwise 相互作用是决定微生物群落结构的主要因素。例如，Wright 和 Vetsigian（2016）通过 pairwise 共接种实验研究了从土壤中分离出的 Streptomyces 物种之间的微生物群落稳定性。Sch?fer（2022）发现 Arabidopsis 叶际微生物群落的变化可以在很大程度上通过细菌之间的二元相互作用来解释。Ratzke（2020）表明，复杂系统的生物多样性和稳定性可以通过简单的 pairwise 相互作用来理解。鉴于 pairwise 相互作用在微生物群落演替中的关键作用，阐明草鱼腐败细菌之间的 pairwise 关系及其作用机制至关重要。

因此，在本研究中，我们通过比较不同草鱼细菌在单一菌种、双菌种和三菌种共存环境中的生长情况，确定了它们之间的 pairwise 相互作用，并通过分类单元剔除实验和元转录组分析探讨了这些相互作用的机制。与特定的相互作用效应（如生物膜形成、运动性、群体感应和蛋白酶分泌）不同，本研究揭示了 pairwise 相互作用对细菌代谢途径的影响，这有助于更好地理解鱼类微生物群落的变化规律并开发新的鱼类保鲜技术。

实验方法

无菌鱼肉汁的制备

根据 Zhuang 等（2023）的方法，使用从北京建翔桥农产品市场购买的新鲜草鱼肉制备无菌鱼肉汁。具体步骤如下：将去骨去皮的鱼肉切碎，与去离子水按 1:1 的比例混合，然后搅拌煮沸 2 分钟。冷却后，通过尼龙纱布过滤鱼肉汁，并在 121°C 下杀菌 15 分钟。杀菌过程中形成的蛋白质絮状物需被去除。

单菌种接种下的细菌生长

如图 1A 所示，S. putrefaciens、P. putida、A. rivipollensis、Ac. johnsonii 和 K. rhizophila 的接种量分别为 4.7、4.6、4.6、4.3 和 4.7 lg CFU/mL。在 4°C 下储存 3 天后，S. putrefaciens、P. putida、A. rivipollensis 和 Ac. johnsonii 的 TVC 值分别升高至 8.2、8.7、8.9 和 8.7 lg CFU/mL，表明这四种细菌在冷藏鱼肉汁中具有很强的存活和生长能力。相比之下，K. rhizophila

讨论

细菌相互作用一直是食品微生物学研究的热点课题，因为它与食品腐败过程密切相关。在鱼类微生物群中，已经报道了多种相互作用模式，包括群体感应和共代谢（Cui 等，2023；Liu 等，2024；Zhao 等，2016；Zhao, Zhang, Bao 等，2025；Zhuang 等，2022；Zhuang 等，2024）。然而，以往的研究主要集中在特定效应上（如运动性的增强、蛋白酶活性的提高等）。

结论

本研究阐明了草鱼中主要腐败细菌之间的 pairwise 关系。结果表明，抑制性竞争是这些细菌之间的主要作用方式，群体感应（HOI）被证实是缓解细菌竞争的重要因素。此外，元转录组分析表明，这些拮抗作用主要是通过干扰特定的代谢途径实现的，包括精氨酸生物合成和硫代谢（针对 S. putrefaciens 与 P. putida）。

作者贡献声明

张雪颖：撰写初稿、进行实验、进行正式分析。王欣茹：提供资源、协助实验。庄帅：撰写、审稿和编辑、争取资金支持、提出研究思路。罗丽萍：撰写、审稿和编辑、争取资金支持。

未引用的参考文献

Mu?oz-Elías 和 McKinney，2006

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金（项目编号：32402182）、北京工商大学青年学者研究基金（项目编号：RFYS2025）、中华人民共和国科学技术部（项目编号：19000720670）以及 北京工商大学人才引进计划（项目编号：19008022338）的支持。