葡萄酒是一种具有风土特征(自然性)的经济产品。生产过程中任何不必要的干预都会降低葡萄酒自然性。传统葡萄酒在生产过程中过度使用农药、SO_2、商业酵母、杀菌技术等进行干预,葡萄酒生产逐渐工业化,降低了葡萄酒自然性,导致葡萄酒质量同质化严重。葡萄酒作为一种发酵产品,微生物起着决定性作用。葡萄表皮微生物是葡萄酒发酵过程中微生物的重要来源,这些微生物可以在发酵过程中释放代谢物影响葡萄酒成system biology分、风味、香气和质量。虽然已经有许多文献分别对葡萄和葡萄酒微生物多样性进行报道,但是基于葡萄-葡萄酒一体化生产体系(葡萄种植到葡萄酒酿造是获悉更多自然连续的统一体)中微生物多样性的信息还比较缺乏,发酵过程中自然微生物对风味化合物形成的作用尚不明确,有待进一步深入研究。因此,本研究以宁夏青铜峡、内蒙古乌海、山东蓬莱和陕西杨凌4个产地赤霞珠作为研究品种,基于葡萄-葡萄酒一体化体系,通过高通量测序技术,首先对果实发育过程中表皮微生物多样性以及自然发酵和陈酿过程微生物多样性进行研究,分析自然条件下不同产区微生物群落组成和结构变化;其次,自然发酵与接种商业酵母发酵比较,分析发酵过程中商业酵母对自然微生物多样性和葡萄酒风味化合物的影响;最后,运用宏基因组和代谢组技术,探究自然发酵过程中风味化合物形成过程,明确参与发酵的主要种群及其与关键风味化合物的关系。主要研究结果如下:1、赤霞珠葡萄表皮微生物多样性受葡萄产地和果实发育过程的影响。2020年蓬莱、乌海、青铜峡和杨凌赤霞珠果实发育过程中最重要的真菌类群分别是链格孢属(Alternaria)、线黑粉菌属(Filobasidium)、西氏酵母属(Naganishia)和戈卢别夫氏酵母属(Golubevia),最重要的细菌类群分别是鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、Chryseobacterium、芽孢杆菌属(Bacillus)和短波单胞菌属(Brevundimonas);2021年最重要的真菌类群分别是帕皮利奥特雷玛菌属(Papiliotrema)、短梗霉属(Aureobasidium)、链格孢属(Alternaria)和鬼伞属(Coprinellus),最重要的细菌类群分别是假单胞菌属(Pseudomonas)、微小杆菌属(Exiguobacterium)、沉积物杆菌属(Sediminibacterium)和中间根瘤菌属(Mesorhizobium)。基于Shannon指数,所有产地真菌和细菌多样性在葡萄发育过程中呈下降趋势;其中转色期许多微生物类群的相对丰度发生了显著的变化。2、不同产地赤霞珠葡萄醪中微生物多样性差异在发酵过程中促进葡萄酒挥发性化合物之间的差异。苯酚、乳酸乙酯、己酸、己酸乙酯分别是2020年蓬莱、乌海、青铜峡和杨凌赤霞珠自然葡萄酒中最重要的特征化合物;正己醇、乳酸乙酯、丁二酸二乙酯、癸酸乙酯分别是2021年最重要的特征化合物。2020年蓬莱、乌海、青铜峡和杨凌葡萄醪中最重要的真菌类群分别是酵母菌目(Saccharomycetales)、有孢圆酵母属(Torulaspora)、座囊菌纲(Dothideomycetes)、煤炱目(Capnodiales),最重要的细菌类群分别是α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、Chloroplast、小短杆菌属(Brachybacterium);2021年葡萄醪中最重要的真菌类群分别是斯塔莫酵母属(Starmerella)、有孢汉逊酵母属(Hanseniaspora)、座囊菌目(Dothideales)、散囊菌目(Eurotiales),最重要的细菌类群分别是醋杆菌科(Acetobacterales)、变形杆菌门(Proteobacteria)、Mitochondria、产氧光细菌纲(Oxyphotobacteria)。自然发酵过程中真菌多样性逐渐降低,细菌多样性呈现不一致的变化趋势。Saccharomyces相对丰度在发酵过程中逐渐升高,其他真菌类群的相对丰度降低。陈酿过程中真菌浓度很低,细菌多样性相对稳定,醋酸菌相对丰度逐渐降低。3、自然发酵过程中真菌多样性和香气复杂度高于接种发酵。自然发酵过程中具有丰富的发酵酵母(例如Saccharomyces、Starmerella、Hanseniaspora等),而接种发酵过程中主要以酵母属(Saccharomyces)为主。其中酵母属(Saccharomyces)、有孢汉逊酵母属(Hanseniaspora)、线黑粉菌属(Filobasidium)、西氏酵母属(Naganishia)、果聚糖杆属(Fructobacillus)、马赛菌属(Massilia)、泛菌属(Pantoea)、乳球菌属(Lactococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、明串珠菌属(Leuconostoc)、魏斯氏菌属(Weissella)、葡糖杆菌属(Gluconobacter)和乳杆菌属(Lactobacillus)是两种发酵方式之间的差异物种。自然发酵葡萄酒和接种发酵葡萄酒之间共鉴定出47种差异化合物。其中苯乙醇、正戊醇、2,3-丁二酮、棕榈酸、酒石酸等是自然发酵葡萄酒中主要的风味化合物;乙酸乙酯、异丁醇、乳酸乙酯、莽草酸、儿茶素等是接种发酵葡萄酒中主要的风味化合物。4、赤霞珠自然发酵过程中发酵酵母和乳酸菌是参与风味化合物形成的重要种群。宏基因组表明酵母菌属(Saccharomyces)、有孢汉逊酵母属(Hanseniaspora)、接合酵母属(Zygosaccharomyces)、拟魏克酵母属(Wickerhamiella)、乳杆菌属(Lactobacillus)和果聚糖杆菌(Fructobacillus)是发酵过程中与代谢酶基因相关的重要属。富集分析表明淀粉和蔗糖代谢,果糖和甘露糖代谢,半乳糖代谢,氨基糖和核苷酸糖代谢,精氨酸和脯氨酸代谢,丁酸酯代谢,组氨酸代谢,β-丙氨酸代谢,丙酮酸代谢,糖酵解/糖异生,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢,乙醛酸和二羧酸代谢,不饱和脂肪酸生物合成,脂肪酸延长,脂肪酸降解,酪氨酸代谢,脂肪酸生物合成和氨酰基-t RNA生物合成是形成风味物质的主要途径。鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)与果糖、棕榈酸和甘露糖Taurine价格显著正相关,杆状斯塔莫酵母菌(Starmerella bacillaris)、山梨拟魏克酵母菌(Wickerhamiella sorbophila)、仙人掌有孢汉逊酵母(Hanseniaspora opuntiae)、法尔皮有孢汉逊酵母(Hanseniaspora valbyensis)、季也蒙有孢汉逊酵母(Hanseniaspora guilliermondii)和葡萄汁有孢汉逊酵母(Hanseniaspora uvarum)与没食子酸乙酯、丁香酸、香橙素和乙偶胭显著正相关,变异链球菌(Streptococcus mutans)与棕榈酸、海藻糖、咖啡酸和乳糖显著正相关,植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)与咖啡酸显著正相关,果糖芽孢杆菌(Fructobacillus fructosus)与没食子酸乙酯显著正相关,金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)与没食子酸乙酯和丁香酸显著正相关,铅黄肠球菌(Enterococcus casseliflavus)和硬明串珠菌(Leuconostoc gelidum)与没食子酸乙酯、丁香酸、香橙素和乙偶胭显著正相关。综上所述,葡萄产地对赤霞珠葡萄发育过程中果实表皮微生物群落结构和多样性有显著影响。在自然发酵过程中,葡萄表皮微生物可以促进更多风味化合物形成,特别是发酵酵母菌和乳酸菌,可以提高葡萄酒香气复杂度。本研究可为葡萄酒微生物菌群结构与功能优化、风味物质代谢调控提供理论依据,进一步提高葡萄酒风土特征和强化产区葡萄酒风格。