传统食品的固态发酵(酿造)工艺是由多种微生物参与的一种食品加工方式,是生产和保藏食物最古老、经济的方法之一,能够显著提高食品原材料的营养价值,感官特性和功能特性。理解传统食品酿造过程中复杂微生物群落的结构及其功能优化调控,是实现传统产业技术提升的重要环节。固态醋酸发酵过程是我国传统发酵食醋生产过程中的关键工序,众多微生物参与将谷物原料转变为各种风味物质和功能物质,除了赋予食醋独特的酸味感受外,更加赋予了食醋产品典型的风味和功能特征,并使我国传统发酵食醋显著区别于西方深层液态发酵的食醋。近来,许多微生物学研究已经揭示了传统发酵食醋酿造过程中微生物群落多样性和形成规律,但是对群落中微生物的相互作用及主要代谢产物形成之间的关系仍不清楚。基于宏基因组测序分析等技术的应用是有效解决上述问题的重要手段。本文采用语义网关联数据的方法,整合不同层面和组学水平的食品微生物数据信息,构建了一个元基因组数据管理、查询、分析为一体的整合型食品微生物数据库(Food Microbes);以镇江香醋为研究对象,采用元基因组测序等分子生态学手段,构建了醋醅微生物群落中主体风味物质代谢网络,解析了不同代谢途径中微生物分布和功能差异;继而以醋酸微生物群落中双乙酰/乙偶姻合成途径为研究对象,根据元基因组测序获得的信息,定向分离获得具有合成乙偶姻能力的功能微生物菌株,并在异位和原位的条件下进行的微生物菌株的功能验证。论文主要研究结果如下:系统研究了微生物领域关联数据的本体和命名空间的设计方法,为与食品微生物相关的主要数据类型建立了对应的本体和命名空间。建立了Food Microbes数据库,通过利用资源描述框架(RDF)建立关联数据和建立数据仓库的方式,不仅实现了将食品微生物相关的各种层面数据的集成,同时系统的梳理了从菌株、菌种等宏观数据到基因组、蛋白质、酶和代谢途径等微观数据之间的关联关系,形成了一个紧密连接的系统。在此基础上,还集成了基于元基因组数据分析流程的工具和算法,包括BLAST、基因组可视化、基因功能注释工具、代谢途径分析工具和代谢途径可视化工具,形成了一个元基因组数据管理、查询、分析为一体的数据平台,为醋醅微生物群落的数据分析提供了重要的工具。利用元基因组测序技术,对镇江香醋醋醅微生物群落元基因组进行了测序和分析。通过Metavelvet产生54340个重叠群,利用Frag Gene Scan扫描了位于重叠群中的基因,产生了86201个预测蛋白质编码区域。分析结果表明,醋醅微生物群落中细菌,真核和古细菌的相对丰度分别是91.75%,0.19%和8.06%。在门分类水平,厚壁菌门(48.16%)和变形菌门(6.83%)为镇江香醋的主要微生物菌群。根据KEGG通路注释获得的基因信息,其中2636个属于代谢过程,944个属于遗传信息加工过程,538个与细胞过程有关,527个属于环境信息加工过程,658个与人体疾病相关,378个属于生物体系统。根据元基因组功能注释的信息,构建了镇江香醋主体风味物质的微生物代谢网络;进一步采用有效组分和基于系统发育的算法(Metagenomie Composition Vector,Meta CV)对元基因组测序序列进行了物种和功能的关联,获得了不同代谢途径中微生物物种和功能的分布差异。进一步分析了上述代谢网络中重要的物质,如镇江香醋中主要的挥发成分乙偶姻、双乙酰、异戊醇、四甲基吡嗪以及丁二醇等,主要的氨基酸,如亮氨酸和缬氨酸等,以及美拉德反应形成川芎嗪的重要前体乙偶姻和双乙酰等的合成途径,发现对食醋风味形成十分重要的两个合成途径模块:乙偶姻-双乙酰-丁二醇组和3-甲基丁醇-3-甲基丁酸-缬氨酸-亮氨酸组。参与上述两个合成模块的功能微生物群组是不同的:醋醅中大多数微生物参与了3-甲基丁醇-3-甲基丁酸-缬氨酸-亮氨酸组的生物合成,而参与乙偶姻-二乙酰-丁二醇组的微生物则主要是放线菌、乳酸菌、柔膜菌、醋杆菌。这也从另一个侧面说明了醋酸酿造微生物群落的多样性及其生物学功能的协同性。以双乙酰/乙偶姻代谢途径为研究对象,从omics-derived数据中准确评估了复杂的微生物群落风味产生的潜力;并根据食醋微生物群落的深度测序信息,理性设计并从镇江香醋醋醅中定向分离获得具有合成乙偶姻能力的功能微生物菌株,包括巴氏醋杆菌、布氏乳杆菌、发酵乳杆菌、短乳杆菌等;并在摇瓶水平和醋醅原位水平,对这些功能微生物菌株的代谢功能进行了实验验证。结果表明,在醋醅微生物群落中添加巴氏醋杆菌G3-2与短乳杆菌、发酵乳杆菌M10-3、布氏乳杆菌F2-5能够调控群落代谢功能,有效提高乙偶姻合成水平。