《Food Bioscience》：From genes to functions: Multifunctional probiotic properties of
Lacticaseibacillus paracasei NCU215 unveiled by genomic analysis and experimental evidence
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基因组学分析显示，Lacticaseibacillus paracasei NCU215具有高细胞粘附率（7.86±0.65%）、甲硫氨酸转化为半胱氨酸能力，高效利用半乳糖、甘露糖、果寡糖及菊粉，并具备胆盐水解酶活性（胆固醇降低率47.30±2.61%）。发酵后豆浆挥发性物质减少，而 acetoin和2,3-丁二酮显著增加。
余俊涛|杜同浩|朱星宇|张佳佳|刘成哲|阮晓斌|孙晓霞|杨莉|熊涛|谢明勇|黄涛
国家食物科学与资源重点实验室，南昌大学，南京东路235号，江西南昌，330047，中国
摘要
Lacticaseibacillus paracasei NCU215 因其强大的益生菌活性和出色的发酵能力而受到关注。在本研究中，通过全基因组分析、比较基因组学分析和实验验证相结合的方法，系统地研究了 NCU215 的潜在功能特性。基因组分析表明，NCU215 拥有一系列功能性基因，并且不包含与人类致病性相关的基因。此外，还计算预测了 NCU215 中参与氨基酸和碳水化合物代谢的代谢途径。基于平均核苷酸同一性（ANI）、平均氨基酸同一性（AAI）和核心基因组系统发育重建，NCU215 的分类从 Lacticaseibacillus casei 更正为 Lacticaseibacillus paracasei。比较基因组学分析显示，NCU215 含有更多与细胞粘附、碳水化合物代谢相关的基因，以及一个独特的氨基酸代谢基因簇（cysK–ctl1–cysE）。实验验证证实，NCU215 对 Caco-2 细胞的粘附率为 7.86 ± 0.65%，能够将甲硫氨酸转化为半胱氨酸，增强对半乳糖、甘露糖、果寡糖和菊粉的利用能力，并具有胆盐水解酶活性，其降胆固醇效果高达 47.30 ± 2.61%。此外，用 NCU215 发酵的豆奶中挥发性化合物（如己醛和 1-辛-3-醇）的含量显著降低，而乙酰醇和 2,3-丁二酮的含量则显著增加。
引言
Lacticaseibacillus paracasei 是一种革兰氏阳性细菌，具有兼性厌氧和兼性异型发酵代谢特性，在食品工业和人类健康应用中得到广泛应用（Hill 等，2018）。乳酸菌的发酵可以有效延长产品保质期并减少病原菌的污染（Balta & Yerlikaya，2024）。因此，L. paracasei 被广泛应用于各种发酵产品中，如白盐奶酪、米粉、蔓越莓汁和石榴饮料（Kiousi 等，2022）。此外，L. paracasei 还具有显著的抗菌活性、抗氧化活性、蛋白水解活性、耐胆盐性和胆盐水解酶活性（Akpinar & Yerlikaya，2021）。该菌种还具备其他功能特性，包括降低胆固醇、抗高血压和抗肿瘤作用（Erginkaya & Konuray-Altun，2022）。鉴于 L. paracasei 拥有多种有益表型，采用适当的方法对其进行高效全面的鉴定对于充分发挥其应用潜力至关重要。
尽管已有许多方法用于研究 L. paracasei，但测序技术的进步使得全基因组分析成为益生菌研究的强大工具，可以实现精确的分类、关键特性的预测和代谢途径的阐明（Wang 等，2022）。截至 2025 年 5 月，已有 112 个 L. paracasei 的完整基因组提交至国家生物技术信息中心（NCBI）。为了从遗传学层面阐明 L. paracasei SP5 的代谢潜力和益生菌功能，通过基因组分析进行了分类鉴定、安全性评估，并挖掘了与碳水化合物代谢、酸耐受性、胆盐耐受性、细胞粘附、胞外多糖（EPS）合成和细菌素生产相关的基因（Kiousi 等，2022）。然而，不同菌株之间的表型差异很常见，这是决定其应用潜力的关键因素。一个显著的例子是不同 L. paracasei 菌株在碳水化合物代谢方面的偏好差异（Cui & Qu，2021）。因此，单一基因组序列在预测菌株的潜在表型变化方面存在局限性。比较基因组学分析通过比较全基因组，能够推断菌株特定的表型和功能。比较基因组学分析用于细化 L. paracasei ItalPN16 基因组的结构和功能（Barreto Pinilla 等，2023）。此外，对酮酸型和非酮酸型 L. paracasei 菌株的比较基因组学分析表明，citDEF（柠檬酸裂解酶复合体）、als（乙酰乳酸合成酶）和 but（二乙酰还原酶）基因可能与挥发性风味化合物（如酮类、内酯和醇类）的产生有关（Tian 等，2025）。比较基因组学分析还发现，cysK–ctl1–cysE 基因簇使 L. paracasei> 具有将甲硫氨酸转化为半胱氨酸的能力，同时增强奶酪发酵过程中的风味化合物生成（Stefanovic & McAuliffe，2018）。分析菌株特异性基因有助于预测不同的表型，从而在菌株选择、功能研究、培养和应用中发挥重要作用。
Lacticaseibacillus paracasei NCU215 之前被归类为 Lactobacillus casei NCU215，是从发酵蔬菜中分离得到的。该菌株表现出显著的发酵能力和突出的益生菌潜力（补充图 S1）。此外，它还被有效应用于芒果（Liu 等，2025）、蓝莓（He 等，2024）和胡萝卜（Kang 等，2025）的发酵中，显著改善了产品的风味和感官品质。用 NCU215 发酵胡萝卜可显著降低 2 型糖尿病小鼠的空腹血糖、空腹血清胰岛素、胰岛素抵抗稳态模型评估指标、总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇和丙二醛水平，显示出其潜在的降糖作用（Kang 等，2025）。然而，NCU215 的功能和代谢特性的基因组基础尚未完全阐明。因此，系统的遗传学研究对于充分发挥其应用潜力至关重要。
基因组可能与 L. paracasei 的多种功能相关。然而，以往关于 L. paracasei 的全基因组研究主要集中在遗传特征上，或为已知功能提供遗传证据。在本研究中，首次采用了 NCU215 与其他优秀菌株的全基因组和比较基因组学分析，全面探讨了 NCU215 的潜在功能特性，这为设计验证实验提供了基础。进行了全基因组测序和组装，随后使用 KEGG 等数据库注释了与代谢和功能相关的基因。基于 ANI、AAI 和系统发育分析验证了分类。此外，通过比较基因组学分析识别了功能基因的差异，从而预测潜在的代谢和功能属性。最后，进行了实验评估，以评估细胞粘附能力、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、胆固醇降解能力、胆盐水解酶活性和风味化合物的产生。
材料
二甲苯、三氯乙酸、硫酸和冰醋酸购自成都的 Xilong Scientific。甘氨酸羟基胆酸盐、牛胆盐、 ninhydrincholesterol、邻苯二甲醛、甘露糖、果寡糖（FOS）和菊粉购自上海的 Aladdin。Man、Rogosa 和 Sharpe（MRS）培养基、Dulbecco 修改的 Eagle 培养基（DMEM）、胎牛血清（FBS）、胰蛋白酶及其他材料购自北京的 Solarbio。
基因组特征
L. paracasei NCU215 的基因组由一条染色体（3,101,896 bp）和一个质粒（48,752 bp）组成，鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的含量分别为 46.3% 和 43.5%（图 1A 和 B）。该菌株含有 3,018 个预测基因，包括 2,941 个编码 DNA 序列（CDSs）、93 个假基因、15 个 rRNA、59 个 tRNA 和 3 个 ncRNA。基因组大小与普遍性之间存在正相关，表明基因组较大的微生物可能适应更多的环境条件（Kim 等，2021）。
结论
基因组学已成为研究乳酸菌的有效方法。在本研究中，我们利用基因组分析研究了 Lacticaseibacillus paracasei NCU215 的分类、安全性、潜在的碳水化合物和氨基酸代谢途径以及菌株特异性基因。此外，我们预测并实验验证了 NCU215 的几个功能特性，包括强烈的细胞粘附能力、将甲硫氨酸转化为半胱氨酸的能力等。
CRediT 作者贡献声明
黄涛：监督、资源获取、概念构思。谢明勇：监督、资源获取。熊涛：监督、资源提供。杨莉：研究。朱星宇：研究。杜同浩：撰写——审稿与编辑。余俊涛：撰写——初稿、可视化、验证、方法学研究。孙晓霞：研究。阮晓斌：研究。刘成哲：研究。张佳佳：研究
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了 国家自然科学基金（32130082、32260570）和江西省重点研发计划（S20251728）的支持。
