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环境因素对咖啡果实及土壤微生物的影响

作者:Pereira来源:nature

影响咖啡品质的因素有很多,发酵和采后加工是决定咖啡品质的关键因素。

咖啡浆和粘液是微生物生长的天然基质,如细菌和真菌,这些微生物与咖啡品质有关。

人们对咖啡加工过程中微生物群落进行了研究,但缺乏对环境因素的研究,如海拔高度和阳光照射等对咖啡微生物群落的影响。

环境因素对咖啡品质的影响情况如何?

巴西是最大的咖啡出口国和第二大消费国,约占世界出口咖啡总量的三分之一。

最近,由巴西科学家Lucas Louzada Pereira领导的团队进行了一项研究,以确定环境因素对咖啡品质的影响。

巴西咖啡的主要品种是小果咖啡Coffea arabica和中粒咖啡Coffea canephora,分别占75%和25%。

canephora作物种植在海拔50到550米的高度,arabica种植在海拔600到1200米的高度。

众所周知,海拔越高,生产的咖啡豆质量就越高。加工和环境都可能影响微生物群落结构,从而影响最终咖啡豆的化学成分。

与咖啡植物相关的微生物群落可能对咖啡的最终品质起着至关重要的作用,这些微生物在咖啡豆的发酵过程中可以发挥重要作用(例如酵母菌和乳酸菌)。

然而目前,人们对咖啡植物中的微生物多样性的情况还不了解。

土壤微生物群通过为根系提供所需的矿质营养,在养分循环中发挥着重要作用。

另一方面,水果中的微生物群在咖啡发酵过程中起着重要作用,它通过降解粘液和影响饮料风味发挥着重要作用。

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图1 图形摘要显示了这项研究的主要发现。


材料和方法

研究区域和取样

样品采自八个海拔735至1078米的小型农场。之所以选择Red Catuaí,是因为该研究所涉及的农场都有这种品种。

每个农场采集三种果实复合样品;每种样品包括来自三个咖啡树的30个水果和三个土壤复合样品(每个约300 g)。

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图2.

这些土壤样品来自咖啡树的树冠投影下、1平方米和10 cm深区域内的三个随机点(图2)。所有样品储存在无菌塑料袋中,并在冷藏条件下运送至实验室,并保持在−20°C冰箱。

使用总共250mg的复合样品用于土壤分析。

在水中测量土壤pH,土壤/水比率=1:2.5。用pH7.0的乙酸钙测定酸度(H+Al)。

用酸溶液Mehlich-1萃取P和K元素。

用1M的KCl溶液萃取Ca,Mg和Al,并通过原子吸收分光光度法定量。

确定碱和SB,碱饱和度V,铝饱和度m和潜在阳离子交换量CEC。

DNA提取,PCR和测序

首先使用无菌的杵碾碎果实,并根据试剂盒的说明将250mg所得匀浆用于提取过程。

利用引物ITS1F(5′cttgtttagaggaagtaa3′)和ITS2(5′gctgtgttcttcatcgatgc 3′)对真菌群落rDNA的ITS1区域进行PCR扩增,以评估真菌群落结构。

同时,用引物515F(5'GTGYCAGCMGCCGCGGTAA 3')和806R(5'GGACTACNVGGGTWTCTAAT 3')扩增16S rDNA的V4亚区,来评估细菌组。

然后进行16S扩增、ITS1扩增

统计分析结果。

土壤和地形因素对咖啡树果实和土壤微生物群落的影响

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图3

主坐标分析(PCoA)和置换多变量方差分析(PERMANOVA)显示,在细菌栖息的果实中,斜坡侧(p值=0.001)和海拔高度(p值=0.001)有显着影响(图3A)。

太阳辐射影响土壤中的细菌群落(图3A),但不影响果实的细菌群落(图3B)。

冗余分析(RDA)方差分区显示了环境因素在细菌和真菌群落结构中的相对贡献(图3)。

在果实中,地形因素对细菌(图3A)和真菌(图3C)群落的影响大于土壤因子。

另一方面,在土壤中,细菌群落受土壤因子的影响大于地形因素(图3B),而真菌群落同样受到两者的影响(图3D)。

然而,在所有情况下,这两组因素(残差)都不能解释高百分比的方差。这表明这里没有考虑的其他因素也可能影响微生物群落,主要是土壤的细菌群落(残差=90.6%)。

为了评估不同海拔和斜坡暴露对太阳的丰富度,均匀度和多样性的差异,计算了每个样本的Chao1丰富度估计值,Pilou均匀度和Simpson多样性指数。

在大多数海拔地区,土壤中细菌组和真菌组的这三个指标高于果实。

果实中的细菌多样性随着海拔高度的增加而增加(p值<0.001),这可以通过均匀度(p值<0.01)和丰富度(p值<0.01)来解释。

在土壤中,这些细菌指数不受海拔高度的影响。另一方面,真菌的丰富度和均匀度在土壤中受到影响,但在果实中没有受到影响(p值<0.01;)。

这些结果表明,在较高海拔地区细菌丰富度增加,而真菌丰富度下降。相对于太阳的斜坡暴露也影响果实细菌组的这三个指标,但不影响真菌组。

除丰富度外,南部斜坡上栖息水果的细菌群落(p值<0.05)这三个指标均高于东部和西部。在土壤中,只有面向南坡的细菌群落的均匀性较小。

不同海拔地区水果和土壤的分类组成和OTUs

该项研究划定了三个海拔区域:低海拔(<800米),中海拔(800-1000米)和高海拔(≥1000米)。对于每个区域,评估土壤和水果之间的分类组成和细菌。

在所有海拔地区,最丰富的细菌门是Proteobacteria(见补充图。S2和S3)。这一群体在土壤中,而不是水果(35%至98%),占主导地位(占读数总数的76%至98%)。

由于以前的研究发现海拔高度是咖啡风味的重要因素,本次研究发现细菌和真菌群落都受到这一变量的影响(图3),

研究团队评估了这三个地区土壤和果实之间共享真菌和细菌的百分比。研究发现,当海拔升高时,共享细菌OTU的百分比下降,真菌OTU增加。

此外,研究人员使用FAPROTAX对这些共享细菌进行了功能性概况预测,发现在高海拔地区功能作用增加。

一些共同的功能只存在于最高海拔地区(>1000米),如芳香族化合物降解和硝酸盐还原。

不同海拔地区共生网络的复杂性

研究还评估了三个海拔地区OTU之间的共生和共排斥。研究使用统计学上显着的SparCC相关性(p值≤0.01,绝对相关性≥0.7)建立了共现网络。

低海拔地区果实上的连接数量高于高海拔地区,但连接细菌数量在高海拔地区增加(图6A)。大多数连接发生在真菌之间,其次是细菌-真菌和细菌-细菌(图6B)。

虽然来自同一组的OTU(即细菌-细菌或真菌-真菌)之间的大多数连接是阳性(即共现),但不同组的OTU之间的大多数连接是阴性的(即共同排除)。

研究人员使用群落检测算法(igraph软件包的cluster_walktrap函数),分别在低海拔,中海拔和高海拔地区发现了8个,6个和5个群落(图6C)。

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图6 三个海拔高度果实微生物群的共生/共排斥网络。


讨论

这是第一项深入评估环境因素对居住在咖啡果实和土壤中的微生物群的研究;之前的其他研究已经描述了咖啡果实或土壤中的微生物群,而没有将它们联系起来。

此外,其他研究集中在咖啡发酵过程中的微生物群,而不是原位存在的微生物群。

正如其他研究所报道的,水果和土壤中微生物群的结构(图3)和多样性的差异表明,气候和小气候变化可以直接影响与咖啡相关的微生物群。

例如,细菌群落的结构可以作为斜坡暴露的函数而变化,因为地形因素导致小气候的差异。

此外,土壤的光照强度,温度和电导率受山坡高度,栽培系统和/或两者相互作用的影响,这些因素影响咖啡种植园的土壤。

环境条件,如太阳辐射的发生率,可能导致内部代谢物的变化,产生压力条件,从而产生可能影响微生物发育的不同条件,并且农地的位置和高度是主要变量影响咖啡质量。

该研究没有发现沿海拔高度土壤中细菌的丰富度,均匀度或多样性的变化。

然而,发现高海拔果实的细菌多样性增加。

高海拔地区这种多样性的提高可能是由于土壤作为细菌来源的贡献大于低海拔地区的土壤。

土壤可以作为细菌内生菌的细菌来源,这些共享细菌的功能预测表明,高海拔地区的土壤为细菌提供了功能特性,可以促进采后加工中水果的发酵。

一旦高海拔的咖啡豆呈现出更多的粘液/水比例和更多的脂肪含量,具有高功能多样性的细菌群落的存在可以通过提供可用于咖啡发酵过程的酶和化合物来改善化合物的加工粘液。

Pereira团队首次研究了咖啡果实中微生物群的共生/共排斥网络(图6)。真菌-真菌和细菌-真菌之间的大多数联系发现在低海拔地区,而细菌-细菌连接在高海拔地区更大(图6)。

在较高海拔地区接种咖啡不如在较低海拔地区接种咖啡有效。由于发酵过程可能受到本土微生物群的影响,每个海拔区域的微生物网络连接可能会影响接种物的生长。

因此,咖啡微生物生态学的研究对于充分了解提供优质酿造咖啡及其独特风味的有益代谢前体的生产和转化至关重要。

这些信息可能与那些生长在高海拔地区,年降雨量小于1500毫米,开放或中等阴影的树木的咖啡感官质量有关。

在高海拔地区没有发现与引起咖啡浆果病的Colletotrichum kahawae密切相关的两个OTU。

由于土着微生物群与病原体之间生态位重叠的增加,具有高连通性的细菌网络可以抑制病原体的攻击,这增加了资源竞争。

高海拔地区细菌-细菌连接的增加可能是由于减少了大多数为阴性的真菌-细菌连接,因此真菌可能抑制细菌相互作用(图6B)。

这项研究表明,咖啡饮料的最终质量可能取决于微生物多样性/相互作用,这可能受到作物生长环境条件的影响,会影响咖啡饮料的质量。


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参考文献

Effects of environmental factors on microbiota of fruits and soil of Coffea arabica in Brazil

Tomás Gomes Reis Veloso, Marliane de Cássia Soares da Silva, Wilton Soares Cardoso, Rogério Carvalho Guarçoni, Maria Catarina Megumi Kasuya & Lucas Louzada Pereira