Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

在食品科学领域，一些最重要的工作发生在细菌这一隐形领域。在制作像高达（Gouda）或切达（Cheddar）这样的传统奶酪时，生产者依赖于发酵剂：这些微小生物的混合物将牛奶转化为固体奶酪，并创造出其独特的风味。一个多世纪以来，这些发酵剂一直被保持活性并从一批次传递到下一批次，这种做法被称为使用“未定义”的发酵剂，因为其中包含的精确细菌组合并不完全为人所知或受控。科学家们长期以来一直怀疑，这些混合物比它们看起来要复杂得多，隐藏着大量的不同细菌菌株，它们协同工作以确保奶酪的安全与美味。了解这种隐藏的多样性至关重要，因为它决定了奶酪抵抗攻击细菌的病毒（即噬菌体）的能力，而这类病毒可能会毁掉整个生产批次。

一个研究小组致力于绘制一种名为 Tistrup 的特定丹麦发酵剂内部的这个隐藏世界，该发酵剂已使用了一百多年。他们知道，仅仅在实验室培养皿中生长细菌来计数是不够的，因为许多菌株可能会被遗漏或忽视。相反，他们结合了两种强大的方法：在实验室中培养大量的单个细菌菌株，以及直接从整个混合物中读取遗传密码，而不进行任何培养。通过对比他们在实验室中发现的结果与他们在原始混合物中发现的结果，他们发现这个群落比任何一种方法单独揭示的内容都要复杂得多。这项研究表明，即使是在一个表面看起来简单的细菌群落中，也存在着深层的遗传多样性，这使得该群落能够生存和繁衍。

研究人员首先观察了 Tistrup 发酵剂，该发酵剂由极少数几种细菌主导，主要是 Lactococcus cremoris 和 Lactococcus lactis。由于物种数量很少，他们预期个体细菌之间的遗传差异会很小。然而，当他们对实验室培养的 111 个不同细菌菌株进行基因测序，并将其与整个混合物的遗传数据进行比较时，他们发现了惊人的隐藏复杂性。这两种方法不仅在相同的细菌上达成一致，还发现了部分不同的群体。实验室培养的菌株仅代表了发酵剂中存在的多样性的一小部分，而直接读取混合物的遗传数据则揭示了许多实验室方法完全错过的谱系。

一个最引人注目的发现涉及这些细菌的细胞壁。细菌的外表面覆盖着一层被称为细胞壁多糖的糖类涂层，这就像是一个特定的锁孔，病毒利用它进入并感染细胞。研究人员发现，在该培养物中最常见的这种糖类涂层类型（占总人口近 30%）在他们实验室培养的细菌中完全不存在。这意味着，培养物中最丰富的细菌正是那些科学家未能成功培养出来的细菌，这使得该群落的很大一部分对传统方法而言是不可见的。实验室培养的细菌大多携带了不同且较不常见的糖类涂层版本，这表明用于在实验室生长它们的条件更倾向于一种特定的、非优势性的群体。

除了细胞壁之外，研究人员还观察了其他帮助细菌抵御病毒的遗传特征。他们检查了隐藏在细菌 DNA 中的病毒（称为原噬菌体）以及细菌用来对抗攻击的各种防御系统。他们发现，这些防御工具在不同的菌株之间以无数种组合方式进行着混搭。即使是那些在核心遗传代码上几乎看起来完全相同的细菌，也携带了不同的防御系统和隐藏病毒。这种多样性充当了群落的盾牌；如果一种病毒攻击其中一种类型的细菌，具有不同防御能力的其它细菌就能存活下来，并维持奶酪制作过程的进行。研究表明，这种防御多样性远比仅通过观察实验室培养菌株所能看到的要大。

团队还调查了移动遗传元件，即细菌可以相互交换的小型 DNA 环——质粒。这些质粒通常携带着对制作奶酪至关重要的基因，例如用于消化乳糖或分解蛋白质的基因。研究人员发现，这些质粒也具有高度多样性，并由不同的菌株以不同的组合方式携带。通过使用一种读取 DNA 化学标记的特殊技术，他们能够将许多这些质粒与携带它们的特定细菌联系起来，即使这些细菌并未在实验室中生长。这使他们能够看到，同一个质粒可以出现在不同的物种中，在它们之间移动并传播重要的特性。

研究结论指出，这种乳制品发酵剂的复杂性不仅在于拥有许多不同的物种，更在于仅在少数物种内部存在的极其庞大的遗传组合数量。研究人员发现，没有任何单一方法（无论是通过在实验室中培养细菌，还是直接读取整个混合物的 DNA）能够捕捉到全貌。实验室方法错过了最丰富的菌株，而直接的 DNA 读取则无法总是分辨出是哪个特定菌株携带了哪个基因。只有通过结合这两种方法，他们才能开始窥见多样性的真实程度。这种涉及细胞壁、防御系统和移动 DNA 的隐藏多样性，为该群落提供了抵抗病毒攻击并保持奶酪品质的强大韧性。研究结果表明，这些传统发酵剂的生命力来自于一种深层的、组合式的多样性，而这种多样性除非科学家通过多重视角进行观察，否则在很大程度上仍处于隐藏状态。