作者：施玉洁，南京农业大学博士在读，主要研究微生物互作改善植物铁营养。
特定环境因子可塑造植物代谢组及其共生微生物组，但果实际微生物区系对葡萄酒产区的葡萄风味典型性的影响尚不明确。本研究整合六个地理产区、三个葡萄品种（Vitis vinifera）果实际微生物组、果实转录组及代谢组数据。果实际微生物组成主要受当地环境条件驱动，不同葡萄品种间基因型差异贡献有限。细菌微生物区系显著影响挥发物谱，其中鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）与C6醛类挥发物（绿叶挥发物，GLVs）呈显著正相关。转录组结果表明差异表达基因富集于脂质代谢相关通路，该通路既参与微生物定殖，又激活GLVs的生物合成。接种鞘氨醇单胞菌菌株后，显著提升了浆果中醛类挥发物含量，并诱导相关脂质代谢基因表达提升。本研究首次揭示了“环境–微生物–作物品质”（E×Mi×Q）互作网络在分子层面调控葡萄浆果风味的机制，亦为葡萄园微生物管理与优质风味培育提供了科学依据。
一、葡萄园样点分布及其环境特征
对宁夏六个产区环境特征进行主成分分析（图1b-c）。结果表明：HD产区土壤有机碳（SOC）含量显著较高，CHFC产区以土壤无机碳（IC）、有效钾（AK）及有效磷（AP）富集为特征，HSP产区则呈现高风速与中等营养水平。气候因子（极端高温Tex、风速）与土壤属性（总碳TC、有效钙ACa）是环境分异的主驱动因子。
图1 葡萄园采样点分布及其环境特征
(a) 中国宁夏六个产区葡萄（V. vinifera）品种赤霞珠（CS）、梅洛（ME）和霞多丽（CH）的浆果、果实圈微生物及土壤样品采集位点；(b) 主成分分析（PCA）得分图展示采样葡萄园环境变量；(c) PCA载荷图：紫色箭头表示气候变量，棕色箭头表示土壤属性，红色箭头表示浆果δ¹³C值。
二、果实际微生物组成与多样性
细菌群落以变形菌门（Proteobacteria，30.4–86.6%）和酸杆菌门（Acidobacteria，2.5–20.9%）为优势菌门（图2a）。真菌群落中座囊菌纲（Dothideomycetes）和银耳纲（Tremellomycetes）占比最高（图S1）。科水平上，鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）及伯克霍尔德菌科（Burkholderiaceae）广泛分布（图2b），而酿酒酵母科（Saccharomycetaceae）在CHFC/HD产区丰度显著降低（图2f）。核心微生物分析显示：1517个细菌OTUs（占总量24%）和807个真菌OTUs（占53.4%）为所有位点共有，其中鞘氨醇单胞菌科作为核心细菌群的关键组成，占比3.03%（图2d）。
图2 葡萄果实圈微生物组成与多样性
(a) 门水平前10位细菌群落相对丰度；(b) 科水平前10位细菌群落相对丰度；(c) 细菌Shannon指数；(d) 细菌核心OTUs：直方图显示不同位点共有OTUs数量，下方黑色圆点表示交集；饼图展示核心菌科相对丰度；(e) 门水平前10位真菌群落相对丰度；
(f) 科水平前10位真菌群落相对丰度；(g) 真菌Shannon指数； (h) 真菌核心OTUs.
三、基因型×环境（G×E）对果实际微生物的影响
微生物β多样性分析表明：细菌群落按位点聚为CHFC/SSB/XG组和HD/HSP组（图3a），真菌群落则严格依地区分组（图3f）。距离衰减模型显示地理距离对细菌群落相似性影响最强（图3c）。冗余分析（RDA）显示：总碳（TC）、有效钙（ACa）及δ¹³C解释74.7%的细菌群落变异（图3e）；而极端高温（Tex）、降雨及有效磷（AP）驱动了真菌群落82.9%的变异（图3h）。相比之下，不同品种仅导致13.2%的细菌OTU和20.6%的真菌OTU丰度差异（图S3）。综上，环境因子（E），尤其是气候和土壤性质，是塑造果实际微生物组组成的主要驱动力，而不同基因型（G）仅影响特定类群。
图3 基因型×环境（G×E）对果实圈微生物的影响
（a）细菌群落非度量多维尺度分析（NMDS）；（b）三品种细菌差异OTUs三元图；（c）细菌群落距离衰减曲线：Bray-Curtis相似度与地理/气候/土壤距离关系；（d）真菌群落距离衰减曲线；（e）环境因子对细菌群落（科水平）的冗余分析（RDA）；（f）真菌群落NMDS；（g）真菌差异OTUs三元图；（h）环境因子对真菌群落的RDA。
四、环境×微生物（E×Mi）对果实品质的影响
图4 环境×微生物（E×Mi）对浆果品质的影响
（a）浆果品质参数PCA得分图；（b）PCA载荷图：绿色标签为成熟度参数，棕色为矿质元素，蓝色为挥发物，红色为总花青素；（c）位点间浆果标志物随机森林分析：热图显示参数变异，柱状图表示基尼系数下降均值；（d）方差分解（VPA）：气候、土壤及微生物对前10位浆果参数的贡献率；（e）优势菌属（>1%）与浆果参数的Spearman相关性；（f）鞘氨醇单胞菌OTUs与醛类挥发物的广义代谢组–微生物组关联（GRAMM）：圆圈大小表示CLR转换后相对丰度，颜色表示r值。
五、鞘氨醇单胞菌激活宿主脂代谢通路
为探究微生物如何在转录层面影响浆果品质，研究者于转色期采集果实开展RNA-Seq测序，并构建加权基因共表达网络（WGCNA）。分析筛选出绿松石模块（turquoise module），该模块基因在脂质代谢路径（如LOX–HPL途径）中显著富集，且与绿叶挥发物（GLVs）水平及鞘氨醇单胞菌OTU呈共关联（图5b–c）。共表达网络解析进一步揭示了三大功能簇（图5d）：簇1：脂代谢基因（如脂氧合酶VvLOX5、脂质磷酸磷酸酶）直接参与GLV生物合成；簇2：防御响应基因（如纤维素合酶、谷胱甘肽转移酶）响应微生物定殖；簇3：与挥发物特异性关联的基因（如双功能环氧水解酶）。最后，研究者以鞘氨醇单胞菌（CICC 10510）接种实验证实：接种后菌群在果实际成功定殖，丰度显著提高（图6b-c），霞多丽和赤霞珠的trans-2-己烯醛含量分别增加24.2%和21.8%（图6d），并上调脂代谢基因表达（如纤维素合酶基因表达量提高1.44倍）（图6e）。
图5 浆果转录组加权基因共表达网络（WGCNA）分析
（a）转色期浆果转录组PCA；（b）模块–性状关联：模块颜色与GLVs及OTUs的相关性；（c）绿松石模块（KME>0.8）的KEGG富集通路；（d）候选OTUs、挥发物与枢纽基因（KME>0.95）的共表达网络：黄色圆圈为鞘氨醇单胞菌OTUs，蓝色为葡萄枢纽基因，绿色为GLVs，圆圈大小表示网络连接中心性。
图6 鞘氨醇单胞菌接种对葡萄挥发物及基因表达的影响
（a）菌株CICC 10510与候选OTUs的系统进化树：分支数字为1000次自展支持值；（b）接种后门水平微生物组成；（c）接种组与对照组前5菌属相对丰度；（d）霞多丽与赤霞珠挥发物含量；（e）候选基因在发育阶段的相对表达量（FPKM）。
综上所述，研究者发现鞘脂单胞菌属通过调控相关基因表达，间接提升了葡萄中醛类挥发物的含量，并在一定程度上证明了环境与果实际微生物组的互作可多维度影响果实品质。
本研究通过关联鞘氨醇单胞菌OTUs、葡萄转录组与挥发物谱，构建了如下三级级联调控机制：
1.环境筛选微生物区系：气候与土壤因子驱动鞘氨醇单胞菌等菌群在果实际定殖；
2.微生物诱导宿主转录重编程：菌群定殖激活脂质代谢通路（如VvLOX5）及防御相关基因表达；
3.代谢通路定向输出风味物质：LOX-HPL途径催化不饱和脂肪酸生成C6醛类挥发物（GLVs），直接影响浆果风味典型性。
该框架不仅将传统环境因素（E）延伸至微生物功能层面（Mi），并最终耦合为果实品质（Q）形成的分子基础，也为通过定向干预果实际微生物以提升产区风味提供了理论依据。
论文信息
原名：Carposphere microbiota alters grape volatiles and shapes the wine grape typicality
译名：果实际微生物群改变葡萄挥发物并塑造酿酒葡萄的典型风格
期刊：New Phytologist
DOI：10.1111/nph.70152
发表时间：2025年3月
通讯作者：Menglong Liu ，Yongjian Wang，Zhenchang Liang，Zhanwu Dai
通讯作者单位：State Key Laboratory of Plant Diversity and Specialty Crops, Beijing Key Laboratory of Grape Sciences and Enology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100093,China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China; China National Botanical Garden, Beijing, 100093, China.