基于比较基因组学解析食源植物乳植杆菌与戊糖片球菌的益生菌潜力及代谢适应性

《Frontiers in Microbiology》：Genomic insights into probiotic potential and metabolic adapability of food derived Lactiplantibacillus plantarum and Pediococcus acidilactici

　　

引言：源自农食来源的益生菌乳酸菌在促进人类健康和推进功能食品开发中发挥着关键作用，然而，其适应性多样性和益生菌功能的基因组决定因素仍未得到充分表征。 方法：本研究采用比较基因组学框架，评估植物乳植杆菌HMX2和NMGL2以及戊糖片球菌BCB1H的遗传多样性、代谢可塑性和进化轨迹，旨在阐明控制其益生菌功效的分子决定因素和功能机制。研究人员进行了各种基因组分析，包括全基因组测序、基因组注释、平均核苷酸一致性（ANI）分析和泛基因组分析，以评估适应机制和基因组变异。 结果：在这些菌株中，NMGL2拥有最大的基因组，大小为3.46 Mb，同时总共拥有3402个基因（连同质粒），这增强了其代谢灵活性。共发现59个可能与粘附、免疫调节和应激反应等益生菌相关性状功能相关的基因。尽管鉴定出59个与粘附、免疫调节和应激抵抗等益生菌特征相关的基因，但这些已鉴定的基因组特征仅反映了潜在的功能，并不一定会产生表型。 讨论：益生菌的有效性不仅仅基于这些基因的可用性来评估；它们的调控和表达至关重要。植物乳植杆菌HMX2和NMGL2被发现是同一物种，但在遗传水平上存在细微差异，这一点由两种细菌之间的ANI表明，其值为99.80%。另一方面，戊糖片球菌BCB1H与植物乳植杆菌之间的ANI仅为约68%，远低于95%，因此表明它们不是不同物种。这表明这两个属在其进化路径的早期就已分化。通过泛基因组分析，鉴定出具有不同适应性水平的基因簇。植物乳植杆菌NMGL2的遗传特征表明其在工业和益生菌应用方面具有潜在的适应性，尽管这些预测需要通过实验验证。需要结合转录组学和代谢组学研究来验证这些研究中基因组学的功能潜力。

论文解读：《基于比较基因组学解析食源植物乳植杆菌与戊糖片球菌的益生菌潜力及代谢适应性》

一、研究背景与意义

益生菌，尤其是乳酸菌（LAB），在肠道健康以及免疫和代谢功能中发挥着重要作用。植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）和戊糖片球菌（Pediococcus acidilactici）因其发酵和抗菌特性而广为人知。随着对益生菌功能性食品和药物兴趣的增长，现在需要进行基因组研究，以识别具有卓越功能功效和稳健安全性的合适菌株。尽管这些属的益生菌和后益生菌能力已被发现，但菌株HMX2、NMGL2和BCB1H的确切基因组决定因素仍有待揭示。目前缺乏对这些菌株DNA如何影响其健康相关特性的透彻理解。虽然已有研究探索了不同物种间共享的益生菌特性，但比较基因组学技术揭示了导致其增强功能能力的独特遗传成分。因此，识别这些菌株间的遗传变异对于选择最有益于人类健康的益生菌菌株具有重要意义。本论文发表于《Frontiers in Microbiology》。

二、主要技术方法

研究人员从中国传统的发酵乳制品中分离并筛选了植物乳植杆菌HMX2、植物乳植杆菌NMGL2和戊糖片球菌BCB1H。随后，采用了多种生物信息学方法进行研究：使用细菌基因组DNA提取试剂盒提取DNA并进行全基因组测序；利用Prokka和BV-BRC平台进行基因组组装与功能注释；通过平均核苷酸一致性（ANI）分析评估基因组相似性；通过泛基因组（Pan-genome）分析（使用Roary软件）探究基因簇分布；利用antiSMASH预测次级代谢产物（BGCs）；借助mobileOG-db数据库预测移动遗传元件（MGEs）。此外，还进行了系统发育分析和GC含量分析。

三、研究结果

3.1 基因组注释与关键基因组特征

基因组注释显示，植物乳植杆菌NMGL2拥有最大的基因组（3,458,350 bp）和最多的编码序列（3,402个）。植物乳植杆菌HMX2和NMGL2的GC含量稳定在44.3%至44.5%之间，而BCB1H的GC含量较低，为42.37%。值得注意的是，NMGL2含有两个质粒，这可能与其环境适应性有关。所有菌株均表现出良好的基因组完整性。

3.2 比较功能注释与子系统分布

在代谢相关基因方面，植物乳植杆菌NMGL2（395个基因）和HMX2（377个基因）优于戊糖片球菌BCB1H（267个基因）。然而，BCB1H在蛋白质加工（197个基因）以及应激反应、防御和毒力（85个基因）方面表现出更高的丰度，特别是在酸胁迫、氧化胁迫和热休克反应相关基因上。所有菌株均含有bsh基因（胆盐水解酶，有助于胆汁耐受）和atp操纵子（对肠道生存至关重要），以及mub和srtA基因（有助于宿主定植）。

3.3 基因组可视化与GC含量分析

通过环状基因组图谱可视化，观察到了开放阅读框（ORF）分布、GC含量和GC偏斜（GC skew）。稳定的基因组模式有助于这些细菌菌株的代谢多样性。

3.4 平均核苷酸一致性（ANI）分析

ANI分析量化了物种间的亲缘关系。植物乳植杆菌HMX2和NMGL2之间的ANI值高达99.80%，证实了它们属于同一物种且亲缘关系密切。相比之下，戊糖片球菌BCB1H与植物乳植杆菌菌株之间的ANI值约为68%，远低于95%的物种界限阈值，这从数值上证实了两者属于不同的属，并在进化早期发生了分化。

3.5 系统发育分析与进化关系

基于16S rRNA基因序列构建的系统发育树进一步验证了ANI的结果。植物乳植杆菌菌株聚为一支，而戊糖片球菌菌株形成另一个独立的分支，清晰地展示了两者之间的遗传差异。

3.6 泛基因组分析与基因簇分布

泛基因组分析揭示了开放的泛基因组结构，意味着随着更多基因组的加入，新的基因簇仍会不断被发现。在分析的13个菌株中，核心基因簇数量为476个，占每个基因组的14%至25%，而大部分基因组由 accessory genome（附属基因组）组成。这反映了乳酸菌在基因水平上的高度多样性和可塑性。UpSet图显示，不同菌株间存在大量特有的基因簇，这与其特定的生态位适应有关。

3.7 次级代谢产物预测

利用antiSMASH预测了生物合成基因簇（BGCs）。植物乳植杆菌中含有Plantaricin EF/JK等细菌素相关基因簇，而戊糖片球菌BCB1H含有Pediocin PA-1同源物，这些是抑制病原体的关键。此外，还发现了萜烯（terpene）和T3PKS等基因簇，暗示了潜在的抗氧化和群体感应信号分子合成能力。具体而言，BCB1H含有一个RIPP-like BGC，而NMGL2携带了四个BGCs（包括RIPP-like、T3PKS、terpene和cyclic-lactone-autoinducer）。

3.8 移动遗传元件预测

通过mobileOG-db鉴定出多个移动遗传元件（MGEs），如质粒、插入序列和转座子。这些元件在不同菌株中的数量和排列存在差异。部分MGEs携带了与应激（如clp、groEL）和抗生素耐药性（如tetM、ermB）相关的基因，强调了水平基因转移在环境适应和抗性传播中的重要作用。

四、讨论与结论

讨论

基因组比较揭示了显著的变异。NMGL2的大基因组和质粒组成表明了其代谢灵活性，使其能适应特定生态位。而BCB1H虽然基因组更紧凑，但在应激耐受方面表现突出。这种差异可能源于它们从不同发酵产品中分离时所面临的环境压力不同。泛基因组架构显示了高度的属间变异和持续的基因获取能力。尽管计算预测提供了宝贵线索，但仍需湿实验验证。

结论

这项对植物乳植杆菌HMX2、NMGL2和戊糖片球菌BCB1H的比较基因组研究揭示了遗传多样性、保守核心功能和菌株特异性适应的不同模式。鉴定出的与应激耐受、粘附和抗菌化合物合成相关的基因表明了它们在益生菌活性和环境恢复力方面的潜在作用。总之，这些见解为了解乳酸菌如何适应不同的生态和工业生态位提供了基因组基础。然而，由于结论仅依赖于计算预测，仍需进一步的转录组、蛋白质组和表型研究来证实所提出的功能角色，并评估其在益生菌和生物技术实际应用中的相关性。