《mSystems》：Assessment of genome evolution in Bifidobacterium adolescentis indicates genetic adaptation to the human gut
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本研究通过分析1,682株青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）基因组，首次构建了该物种的完整泛基因组（pangenome），揭示了203个物种特异性基因簇（COGs）和2,597个水平转移基因（HGT）。研究证实该菌通过获得性基因（如Tad菌毛、CRISPR-Cas系统）和保守代谢特征（如短链脂肪酸SCFAs生产）适应肠道生态位，并与36种有益菌（如Faecalibacterium prausnitzii）形成协同网络。系统发育分析发现7个地理分化集群，其分布受地域因素主导而非宿主年龄。该研究为解析青春双歧杆菌的肠道定植机制和益生功能提供了基因组学证据。
ABSTRACT
青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）是成人肠道微生物群中最常见的双歧杆菌物种之一，检出率约60%。尽管普遍存在，但对该菌的生理特性、遗传多样性及其与宿主/微生物互作的认知仍零散。本研究整合公共数据和131个项目的宏基因组组装，构建了1,682株青春双歧杆菌基因组数据集。泛基因组分析鉴定出203个区别于其他5种人源双歧杆菌的直系同源基因簇（COGs），其中6个被预测为该菌特有功能基因。此外，2,597个基因被预测为水平转移获得，包括编码宿主互作相关胞外结构和噬菌体防御机制的基因。系统发育分析揭示了7个菌株集群，其分布与地理起源相关。基于10,000+健康成人肠道宏基因组的大规模分析表明，青春双歧杆菌与36种有益共生菌和产丁酸盐类群共存，凸显其在成人肠道微生物网络中的核心作用。
INTRODUCTION
青春双歧杆菌作为放线菌门（Actinomycetota）的革兰氏阳性厌氧菌，与长双歧杆菌（B. longum）等共同构成成人肠道菌群的关键组分。其广谱植物聚糖代谢能力（如淀粉降解）与60%的肠道定植率相关，并能通过产生短链脂肪酸（SCFAs）强化肠道屏障、调节免疫。然而，其菌株特异性遗传基础及生态互作机制尚不明确。本研究通过大规模基因组与宏基因组整合分析，旨在系统解析该菌的遗传适应特征与生态功能。
RESULTS
青春双歧杆菌泛基因组与基因组特征
基于1,682株高质量基因组（覆盖44国），平均基因组大小为2.16 Mb，GC含量59.5%，预测编码序列（CDS）1,778个。泛基因组呈闭合状态，表明其遗传多样性已被充分捕获。软核心基因组含1,162个COGs，其中碳水化合物活性酶（CAZymes）达120.95±11.67个，跨座酶（transposase）数量（10.5±4.7）低于多数人源双歧杆菌。46%基因组含前噬菌体序列，50%具CRISPR位点。
青春双歧杆菌特异性功能预测
对比其他人源双歧杆菌物种，鉴定出203个青春双歧杆菌特有COGs，其中25%编码转运蛋白、Sortase依赖性菌毛合成及黏附相关蛋白。基因簇分析发现7个功能模块，包括Tad菌毛位点、细胞壁重塑相关酶、β-半乳糖苷酶代谢通路及酸性耐受/金属解毒系统。6个核心基因（allB, cntD, degU, feoB, tsaD, phpP）被确认为物种特异性功能基因，涉及金属转运（feoB, cntD）、应激抵抗（tsaD）和生物膜调控（degU）。
物种生态结构解析
基于基因组平均核苷酸一致性（gANI）的系统发育聚类识别出7个集群，其中集群2与非洲（35.49%）、亚洲（25.62%）显著关联，集群1/7分别偏好欧洲与大洋洲。宏基因组年龄分层显示，该菌分布主要受地理因素驱动（欧洲/大洋洲检出率60-76%，非洲/亚洲9-48%），宿主年龄影响较弱。
全球分布与微生物互作
在10,620例健康成人宏基因组中，青春双歧杆菌与226个物种呈正相关（如长双歧杆菌、柯林斯菌Collinsella aerofaciens、阿克曼菌Akkermansia muciniphila及产丁酸盐菌Faecalibacterium prausnitzii），与114个物种负相关（如拟杆菌门Bacteroidota成员及机会致病菌Escherichia spp.）。地理特异性互作显著，例如Blautia spp.在欧洲/北美共存，而Faecalibacterium spp.在大洋洲缺失关联。该菌的微生物互作数量（340次）仅次于长双歧杆菌（416次），提示其生态网络中心地位。
泛基因组可塑性与附属基因
附属基因（12,774个）主坐标分析（PCoA）识别3个集群，其中6.28%的COGs（如黏附/分泌相关基因）显著影响聚类。功能注释显示20%基因与膜系统及环境适应相关，反映附属基因组受环境选择压力塑造。
水平基因转移（HGT）驱动基因组进化
鉴定2,597个高置信水平转移基因（hcHTGs），83.71%基因组携带此类基因。预测供体包括不可培养Mobiluncus sp.、Collinsella aerofaciens等肠道厌氧菌。CRISPR-Cas系统分析发现178个I型（I-C/I-E/I-G）和98个II型（II-A/II-C）系统，其分布与地理起源相关（如I-G型偏好北美）。间隔序列（spacer）比对提示对短尾噬菌体科（Siphoviridae）和长尾噬菌体科（Podoviridae）的免疫潜力。
功能获得（GoF）与功能丧失（LoF）事件
在青春双歧杆菌进化支中识别606个GoF相关COGs（如代谢基因coaE, acpS）和271个LoF事件。发现14个软核心COGs具显著GoF特征，其中半数涉及代谢与胞外环境互作，而甲硫氨酸转运相关基因的丢失反映生态特化趋势。
DISCUSSION
本研究揭示青春双歧杆菌通过保守核心基因组（如菌毛合成、应激响应基因）和动态附属基因组（如HGT获得CRISPR-Cas）实现肠道定植优势。其与有益菌的协同网络（如乙酸-丁酸盐交叉喂养）及地理特异性互作模式，印证了“基因-环境”共进化理论。未来需结合功能实验验证候选基因功能，并补充 underrepresented 地区基因组以完善生态进化图谱。
