《LWT》：Multi-Omics and Phenotypic Analysis of Acid Stress Adaptation in
Lactiplantibacillus plantarum Isolated from Milk Kefir
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本研究针对乳酸菌在食品加工和胃肠道转运中面临的酸胁迫挑战，系统探讨了源自牛奶开菲尔的植物乳杆菌KY4-11的耐酸机制。通过整合基因组学、转录组学、代谢组学和生理学分析，揭示了该菌株通过激活氨基酸代谢（如GABA分流）、增强H+-ATPase活性、强化细胞包膜、启动DNA修复系统及促进生物膜形成等多层次协同策略应对酸胁迫。该研究为从传统发酵食品中选育高性能益生菌提供了理论依据和候选菌株。
乳酸菌作为重要的工业微生物和益生菌，在发酵食品、保健品和医药领域具有广泛应用价值。然而，其在生产和应用过程中不可避免地会遭遇各种环境胁迫，其中酸胁迫是影响其存活率和功能性的关键限制因素。特别是在胃酸环境中，乳酸菌需要具备强大的耐酸能力才能顺利通过胃部到达肠道发挥益生作用。因此，解析乳酸菌的酸胁迫应答机制，对于开发高性能益生菌制剂具有重要意义。
传统发酵食品作为天然益生菌库，其中蕴藏着许多具有特殊耐受性的菌株。牛奶开菲尔作为一种历史悠久发酵乳制品，其发酵过程中pH值显著下降，形成了强烈的酸性环境。这种特殊环境可能筛选出了具有卓越酸耐受性的乳酸菌菌株，然而目前对开菲尔来源植物乳杆菌的酸胁迫适应机制尚缺乏系统研究。
针对这一科学问题，研究人员在《LWT》上发表了一项创新性研究，通过对21株开菲尔来源的植物乳杆菌进行筛选，发现菌株KY4-11在pH 3.0条件下处理2小时后仍能保持85.3%的高存活率，表现出卓越的酸耐受性。为了深入揭示其耐酸机制，研究团队采用了多组学整合分析策略，结合生理学表征，系统阐述了该菌株应对酸胁迫的分子基础。
研究人员运用了多项关键技术方法：通过全基因组测序和功能注释分析了菌株的遗传背景；利用RNA测序（RNA-seq）技术检测酸胁迫下的转录组变化；采用非靶向代谢组学分析代谢物谱改变；结合细胞内pH测定、ATPase活性检测、扫描电镜观察、活性氧（ROS）水平测定等生理学实验，全面评估了菌株的应激响应。
3.1. 不同pH对植物乳杆菌KY4-11存活率的影响
研究发现，随着处理酸度的增加，菌株存活率逐渐下降，但在pH 3.0条件下处理1小时，存活率仍保持在93.1%，表明该菌株具有较强的酸耐受基础。
3.2. 生理特性
酸胁迫导致细胞内pH下降至5.40，同时诱导了H+-ATPase活性显著增强（1.97倍），这是维持细胞内pH稳态的关键机制。扫描电镜观察发现酸胁迫引起细胞形态改变和膜损伤，表现为细胞长度和宽度减小，表面出现凹陷和破裂。有趣的是，酸胁迫下细胞内ROS和ATP水平均下降，同时生物膜形成增强，表明菌株通过降低代谢活性和增强群体保护来适应酸性环境。
3.3. 基因组特征与功能注释
KY4-11基因组大小为3.27 Mb，GC含量44.59%，预测含有3,024个编码序列。比较基因组分析鉴定出111个与益生功能相关的基因，包括与酸耐受相关的cysE、蛋白质合成延伸因子tuf以及氧化应激保护蛋白dps等。
3.4. 转录组分析
转录组分析鉴定出1,434个差异表达基因（DEGs），其中722个上调，712个下调。KEGG富集分析显示，上调基因主要富集在蛋白质加工降解、细胞壁膜代谢、信号转导等通路，而下调基因主要与氨基酸代谢、糖酵解等能量代谢通路相关。特别值得注意的是，鉴定出24个差异表达的小RNA（sRNA），提示转录后调控在酸胁迫应答中可能发挥重要作用。
3.5. 代谢组分析
共鉴定出527个差异代谢物（333个增加，194个减少）。增加的代谢物主要富集在辅因子合成、氨基酸代谢和谷胱甘肽代谢等通路，而减少的代谢物主要与核苷酸代谢和三羧酸（TCA）循环相关，表明菌株通过代谢重编程来应对酸胁迫。
研究结论表明，植物乳杆菌KY4-11通过一个系统性的网络应对酸胁迫，该网络整合了代谢重编程、氧化还原稳态、膜完整性维护和基因组稳定性维持。具体机制包括：激活氨基酸代谢途径（谷氨酸转化为γ-氨基丁酸、天冬氨酸降解产氨）来缓冲细胞内酸度；增强H+-ATPase活性以排出质子；强化细胞包膜结构（肽聚糖和胞外多糖合成）；启动DNA修复系统（recA、uvrABC、mutS等）；以及通过LuxS介导的生物膜形成提供群体水平保护。
该研究的重要意义在于首次系统揭示了开菲尔来源植物乳杆菌KY4-11的多层次酸胁迫适应机制，为从传统发酵食品中开发高性能益生菌提供了理论依据和候选菌株。整合多组学的方法为研究细菌应激应答提供了新视角，而sRNA在酸耐受中的潜在作用为后续功能研究指明了方向。这些发现不仅对益生菌制剂开发具有应用价值，也为理解微生物环境适应性提供了重要科学见解。
