探析传统发酵食品微生态中元基因组学的应用
摘 要：元基因组学是生物学技术在微生物生态学领域应用而形成的科学，在环境样本中直接提取DNA，以基因组学为主要研究策略，对环境样本中包含的微生物遗传组成及群落功能进行充分利用。现阶段，元基因组学已逐渐应用到传统发酵食品的微生态研究中，对发酵食品中微生物的多样性和产品功能产生影响。现以元基因组学为理论基础，对传统发酵食品微生态中应用元基因组学进行研究，以提供全新的研究方向。
关键词：传统发酵食品；微生态；元基因组学
我国的传统发酵食品是利用微生物的作用，将谷类、豆类、蔬菜、肉制品以及乳制品等食物进行发酵的一类食品。传统发酵食品不仅具有较高的营养价值，还具有独特的风味，如常见的泡菜、酸奶、馒头、食醋、豆豉等。这些发酵食品中含有丰富的乳酸菌资源，备受消费者的青睐和喜爱。传统发酵食品在产生过程中具有复杂的微生物群落结构，但所依赖的培养技术及常规生物学技术难以全面分析微生物群落的真实性，这则需要应用元基因组技术。
一、元基因组学
元基因组（Metagenomics），又称为宏基因组，在世界各国内均有学者对此进行研究。元基因组是由Handelsman等人在1998年提出的新名词，并将其称为“生境中全部微小生物遗传物质的总和”。这其中主要包含了可培养和不可培养的微生物基因，主要是指环境样品中的细菌基因组和真菌基因组的总和。所谓的元基因组学则是以环境样品中的微生物群体基因组为主要研究对象的一门科学，采用的研究手段主要包括功能基因筛选或基本测序分析等。通常情况下，主要包括从环境样品中提取基因组DNA，并进行相应的高通量测序，或将其克隆到合适的载体中，将宿主菌体导入其中，以完成筛选目的转化子等工作。在元基因组学的研究过程中，以高通量测序技术和生物信息学为主要研究工具，可发现大量的不可培养的微生物，这些微生物的丰度相对较低，且为微生物群落结构以及群落代谢特征提供了最佳的研究工具，对开发具有潜力的新基因也具有重要的研究价值和研究意义。近年来，随着新型测序技术的产生和发展，使基因组的测序成本大大降低，关于元基因组学的研究则呈现出较快的发展趋势，在微生物分子生态学领域获得了令人瞩目的成绩。
群落研究中的元基因组学分析技术主要包括以下两重含义：其一是对环境中的微生物遗传进化进行标记，主要以焦磷酸测序为主要测序原理，从而阐述微生物群的结构组成、微生物群落的多样性以及微生物群落的动力学等。其二是挖掘全新的功能基因及全新的生物活性物质，研究各群落功能及群落成员的代谢途径。在其中要经历几项研究步骤，首先要建立元基因组学文库，进行shotgun测序，其次要通过基因拼接，获得微生物群落基因组的重要信息，最后，通过相应的代谢途径诠释数据库功能。但由于环境样品中的微生物种类数量过于繁杂，且文库容量相对较大，因此，采用何种有效方案进行功能基因筛选，成为值得研究和探索的重要课题。
二、传统发酵食品微生态中应用元基因组学
早在二十世纪后期，关于传统发酵食品中的微生物群落研究就已经拉开帷幕，有学者[1]采用PCR-DGGE联合FISH的手法对干酪细菌群落实施了一系列的系统化干预和分析。此外，通过考察传统发酵食品的原料、生产地区、环境条件以及不同的制作工艺，可明确上述因素对干酪微生物群落结构造成影响。此外，还有一些学者[2]对意大利香肠的自然发酵过程进行研究，通过DGGE方法检测香肠在自然发酵过程中微生物群落结构的实时变化情况。然而，随着新型技术的产生，新一代高通量测序技术使DGGE技术呈现出更多的技术缺陷和应用劣势。例如，在试验过程中，DGGE的重现性相对较差，此外，凝胶染色所引起的灵敏度较低，造成代表微量群体成员的条带出现缺失。上述因素无疑会导致对微生物群落的认知存在偏激性和片面性，但由此可见，在高通量测序的基础上，开展对元基因组的测序，可为传统发酵食品微生物群落结构、微生物群落多样化以及群落具体功能的研究提供重要的研究契机。
现阶段，元基因组技术在传统发酵食品领域中已得到全面、广泛的应用，主要用于研究微生物群落及其相关功能。在微生物群落结构的研究上，有学者提出[3]，结合培养技术、DGGE技术与焦磷酸测序技术，对奶酪的发酵过程进行研究。经研究得出结论：元基因组测序技术的灵敏度以及其自身对微生物群落的覆盖程度已远远超过其他分子生态技术，且已成为研究发酵食品微生态的强有力工具。在发酵食品微生物群落功能的研究上，意大利学者仍未将元基因组学技术应用到意大利传统香醋的研究中可获得理想的研究效果。经研究结果显示，元基因组学技术可获得完整的香醋发酵过程中全部酵母菌信息，在此基础上，可进行局部构建或全局构建代谢网络，为阐述香醋中酵母菌的群落功能及醋酸的发酵过程提供重要的理论支持。除此之外，元基因组分析技术在解决食品安全上提供可必备条件。传统发酵食品在发酵过程中的微生物种类和变化情况较为复杂，而元基因组技术则为复杂的分析情况提供了便捷策略。在前期研究的基础上，通过元基因组血可为复杂的食品发酵过程建立规模性的控制模型，并通过该模型对食品的发酵过程进行预测，建立可行性、可控性相对较高的食品发酵工艺。
总结：
总而言之，基于高通量测序的元基因组技术在传统发酵食品的研究上做出了突出贡献，为微生物群落结构及相关功能的研究提供了便利条件和重要工具。以研究所得的生物信息为依据，可准确获得微生物群落组成、多样化等相关内容，并对参与微生物代谢的酶类进行检测，预测微生物优势的代谢特征和代谢途径。此外，还需要提取环境总DNA的相关信息，更好的构建传统发酵工艺的代谢模型，从而提高传统发酵食品的质量安全和食用安全。
参考文献
[1]魏娜，李香真，陶勇，等.元基因组和元转录组学在环境微生物中的应用[J].环境科学与技术，2014，37（10）：48-54.
[2]戴利铭，熊彩云，黄遵锡，等.宏基因组学在纤维素酶研究中的应用进展[J].微生物学通报，2015，42（6）：1089-1100.
[3]张冰，崔岱宗，赵敏.宏基因组学技术及其在微生物学研究中的应用[J].黑龙江医学，2014，27（2）：267-271.