《Scientific Reports》：Complete genome sequence and functional characterization of Bacillus amyloliquefaciens NJF-55: a sheep-derived probiotic candidate
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本期推荐一篇发表于《Scientific Reports》的基因组学研究。为解决反刍动物肠道健康调控问题，研究人员对源自健康公羊结肠的益生候选菌株——解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）NJF-55展开系统分析。通过完成高质量基因组组装与功能注释，揭示了该菌株具备完整的代谢通路、多重次级代谢产物合成基因簇（如surfactin、fengycin等），且未携带典型毒力因子与耐药基因。该研究为开发安全高效的反刍动物专用益生菌提供了重要理论依据。
在反刍动物养殖业中，肠道健康是影响生产性能和抗生素减量目标实现的关键因素。益生菌作为一种绿色替代方案，其开发依赖于对菌株安全性、适应性和功能潜力的系统评估。然而，目前针对反刍动物来源、并经过全面基因组学鉴定的益生候选菌株研究仍相对有限。特别是，菌株在宿主体内的定植能力、代谢活性以及潜在生物安全性（如是否携带可转移的抗生素抗性基因）等问题，亟需在应用前予以明确。为此，研究人员将目光投向了一种从健康公羊远端结肠中分离得到的细菌——解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）NJF-55，旨在通过对其完整的遗传蓝图进行解码，评估其作为反刍动物专用益生菌的潜力。
本研究主要采用了以下几项关键技术方法：首先，对羊源解淀粉芽孢杆菌NJF-55进行了高质量的全基因组测序与组装，获得其环状染色体和质粒序列；其次，通过多流程注释与功能分析（包括KEGG、CAZymes、次级代谢产物基因簇BGCs挖掘、细菌素/RiPPs鉴定）系统解析其遗传功能；最后，运用比较基因组学方法，将该菌株与四种参考芽孢杆菌进行泛基因组分析，并进行了基因组安全性筛查（包括毒力因子、抗生素抗性基因AMR、前噬菌体检测）。
基因组特征与组装质量
研究人员成功完成了NJF-55菌株的基因组测序，获得了一个大小为3,854,703 bp的环形染色体（GC含量46.1%）和一个6,033 bp的小质粒。通过整合多种注释流程，最终得到一个高质量的共识基因集，为后续功能分析奠定了基础。
功能潜能剖析
通过对注释基因的功能分析，研究发现NJF-55拥有2334个基因可映射到2027个KEGG直系同源基因（KO），其中1835个是唯一的。这表明该菌株具备完整的中心代谢途径、广泛的物质转运能力和应激适应通路。此外，鉴定出的94个碳水化合物活性酶（CAZymes）暗示其具备降解多种糖类并参与细胞壁重塑的能力，这对于其在营养物质复杂的肠道环境中生存和发挥作用至关重要。
次级代谢产物与抗菌潜力
对次级代谢产物合成基因簇（BGCs, Biosynthetic Gene Clusters）的挖掘是本研究的一大亮点。结果显示，NJF-55含有多种典型的芽孢杆菌属代谢产物基因簇，包括表面活性素（surfactin）、丰原素（fengycin）、贝莱斯素（bacillaene）和大环内酯（macrolactin）。同时，研究还发现了一个与丁胺菌素A/B（butirosin A/B）参考序列仅有约7%相似度的聚酮合酶样（PKS-like）区域，提示可能存在新的化合物。在抗菌肽方面，鉴定出五个与细菌素或核糖体合成和翻译后修饰肽（RiPPs）相关的区域，包括IV类羊毛硫肽（class IV lanthipeptide）、淀粉环肽（amylocyclicin）、ComX2信息素、UviB样和结肠素样蛋白，这为其抑制病原菌的潜能提供了遗传证据。
基因组安全性评估
安全性是益生菌应用的前提。基因组安全性筛查结果显示，NJF-55未携带典型的毒力因子或临床相关的获得性抗生素抗性基因（AMR）。在其基因组中发现的四个完整前噬菌体均不含有毒素或AMR基因，所携带的小质粒也未发现风险位点。这些结果为NJF-55的生物安全性提供了初步的基因组学支持。
比较基因组学揭示进化与功能特征
通过将NJF-55与四个参考芽孢杆菌菌株进行泛基因组比较，共得到5,398个基因簇。分析发现，NJF-55保留了325个与益生特性相关的基因簇（大部分为核心基因组），并显示出30个基因家族的拷贝数扩增，尤其集中在非核糖体肽合成酶/聚酮合酶（NRPS/PKS）以及DNA复制/修复相关家族。这种“核心驱动、剂量微调”的基因组结构，可能有助于其适应肠道环境并发挥益生功能。
综上所述，本研究通过对羊源解淀粉芽孢杆菌NJF-55的高质量基因组序列进行解码和深入的功能表征，系统地展示了该菌株作为益生候选者的巨大潜力：其完整的代谢网络、丰富的次级代谢产物（包括可能的新的化合物）和抗菌物质合成能力，为其在肠道中竞争和发挥作用提供了基础；而严谨的基因组安全性评估则为其安全应用扫清了首要障碍。比较基因组学分析进一步从进化角度揭示了其基因组的功能偏好性。这些发现不仅为NJF-55后续作为反刍动物益生菌的开发和in vivo（体内）验证提供了坚实的理论依据和明确的靶点，也凸显了基因组学技术在精准挖掘和评估益生菌资源中的强大作用。未来的研究需要结合靶向代谢组学和对宿主效应的严格受控试验，来最终验证其益生功效。
