益生菌基因组学在乳酸菌筛选和功能评价中的应用

乳杆菌和双歧杆菌是益生菌筛选的主要微生物类群,在促进人类、动物甚至植物健康方面都有重要的应用价值,被广泛应用于多种功能性食品、动物饲料和微生物菌肥。然而,这些细菌对宿主健康产生积极影响的分子机制还远未完全了解。另外,传统的益生菌筛选技术主要依靠表型和生理生化特性的测定以及随机对照试验,这些方法不仅耗时、费力,而且数据难以重复。不同研究小组之间数据难以共享,不能实现菌株有益特性的均一性和标准化验证,严重制约了益生菌科学研究的发展和菌株的产业化开发利用。基于新的测序技术和强大的计算机分析方法,被称为益生菌基因组学新学科的出现,允许研究者在短时间内通过筛选大量的生物学和基因组数据,显著提高益生菌筛选的效率和准确性。本文综述了通过基因组数据的分析,帮助人们高效、快速地确定益生菌,开辟益生菌新功能的评价途径。总结益生菌基因组学在阐明益生特性功效评价的分子基础等方面的最新研究成果,以期为扩展研究人员对这些有益微生物生物学的认知,揭示益生菌促进健康特性的分子机制提供新视角。

塔吉克斯坦地区自然发酵牛乳中乳酸菌的分离鉴定及多样性分析

目的:自然发酵牛乳是塔吉克斯坦地区游牧民族日常饮食的重要组成部分,其中蕴含丰富的乳酸菌资源。目前对于该地区自然发酵牛乳中的微生物群落结构和乳酸菌多样性的研究较少。方法:采用纯培养的方法结合宏基因组测序技术对塔吉克斯坦自然发酵牛乳的微生物多样性进行研究。同时,将该地区微生物群落数据集与吉尔吉斯斯坦和摩洛哥的微生物群落数据集进行比较。结果:纯培养结果显示,从7份酸牛乳中共分离92株乳酸菌,其中的优势菌种为德氏乳杆菌;宏基因组16S rRNA基因测序结果显示,德氏乳杆菌相对含量高达82%,是所有样品的优势菌种。3个地区对比分析发现,自然发酵牛乳中微生物群落具有一定的地域差异,塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦地区菌种组成上较为相似,而摩洛哥与二者差异较大。结论:获得塔吉克斯坦地区自然发酵牛乳的乳酸菌资源和多样性信息,为乳酸菌的开发利用提供了菌株,为自然发酵乳制品中乳酸菌的研究提供了基础数据。

乳酸菌自溶对其产业化的影响

乳酸菌的自溶不仅关系着菌体自身的生长情况,而且还直接影响着乳制品的品质与风味。文章对国内外乳酸菌自溶的研究进展进行概括,从乳酸菌自溶对乳制品的影响、乳酸菌自溶的影响因素以及群体感应与乳酸菌自溶的联系三个方面进行综述。核理研究结果发现,乳酸菌自溶对不同种类乳制品的风味和品质具有不同的影响,可以通过适当控制菌株生长的pH值、温度、生长时间和营养条件等环境因素,以及利用菌株之间的相互作用等方法改变乳酸菌在乳制品中的自溶速率,以此来提高乳制品的质量。该综述探究了自溶对乳酸菌产业的影响,为今后更深入的研究提供参考。

乳酸盐与渗透胁迫对干酪乳酪杆菌Zhang的损伤机理及保护措施

目的:探究乳酸盐与渗透压胁迫对干酪乳酪杆菌Zhang的抑制作用并寻求解决方案。方法:分别使用乳酸钠、乳酸铵与氯化钠对菌体营造有机盐胁迫与渗透压胁迫,测定完全抑制浓度并绘制耐渗透曲线,通过测定菌体密度、活菌数、细胞损伤来观察LCZ受到的生理损伤与相容性溶质的保护效果。通过分批培养与恒定pH分批培养探究渗透压升高的关键因素,通过稀释发酵液以达到降低渗透压的效果,测定稀释后样品菌体密度、活菌数、干重得率的变化。结果:乳酸铵由于自身特性对LCZ具有强烈抑制作用;乳酸钠对LCZ的抑制作用较为温和,对LCZ起到的主要抑制作用是高渗抑制。L-脯氨酸对高渗环境下LCZ生物量积累及细胞活性均有显著保护作用,最优添加量为2 g/L。稀释发酵液处理对恒定pH补料培养菌体密度与活菌数的提升效果显著,最终发酵液OD_(600nm)与活菌数可达到19.68±0.429与(3.439±0.110)×10^(10)CFU/mL,分别是未稀释处理的1.61倍与1.46倍。结论:L-脯氨酸能够在一定程度上缓解高渗下LCZ的活性损伤。通过稀释发酵液处理降低发酵后期渗透压,能极大地提升发酵水平及细胞活性,研究结果为工业化生产及应用提供参考。

自然发酵乳中嗜热链球菌糖代谢特征与功能基因分析

嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)在发酵乳生产过程中应用广泛,通过对该菌种糖代谢相关功能基因的研究,可为优良工业菌种的筛选提供理论依据。该研究以27株分离自自然发酵乳的嗜热链球菌为试验菌株,利用碳水化合物鉴定生化试剂条,来对比分离株的糖类代谢情况,并通过基因组重测序和相关性分析,挖掘与菌株优良特性相关的基因。通过表型实验,将嗜热链球菌归纳为两组,其中一组仅可利用葡萄糖、乳糖、蔗糖,另一组还可以利用除上述糖类外的核糖、半乳糖、果糖、甘露糖、N-乙酰葡萄糖胺、苦杏仁苷、熊果苷、水杨苷、纤维二糖、麦芽糖、海藻糖、龙胆二糖等。两组间在多糖代谢基因和碳水化合物活性酶GT8差异显著(P<0.05);相关性分析结果显示,几丁质、N-乙酰葡萄糖氨基编码基因与菊粉、D-松三糖、木糖的利用显著正相关(P<0.05),淀粉的利用与碳水化合物活性酶家族GH13_14和CE2具有显著正相关(P<0.05)。研究通过分析嗜热链球菌中参与碳水化合物代谢的基因,发现部分糖代谢表型与基因间差异相匹配,为发酵乳菌株的开发和利用奠定理论基础。

基于最适营养解析的瑞士乳杆菌H11高密度培养基优化

目的:解析瑞士乳杆菌H11的最适营养需求,探究其成本低、活菌数高的培养基配方。方法:以活菌数、菌体密度、最大比生长速率为指标,通过单因素实验,Box-Behnken响应面试验设计,确定瑞士乳杆菌H11的最适培养条件。结果:优化后的瑞士乳杆菌H11最佳静态发酵培养基配方为:乳糖29.70 g/L,酵母浸粉FM80841.78 g/L,酵母蛋白胨FP10213.93 g/L,柠檬酸钠2.02 g/L,无水乙酸钠5.05 g/L,K_(2)HPO_(4)2.02 g/L,MgSOK_(2)HPO_(4)4·7H_(2)O 0.20 g/L,MnSO_(4)·5H_(2)O 0.06 g/L,Tween-801.00 g/L,L-半胱氨酸盐酸盐0.30 g/L,维生素B60.01 g/L。优化后高密度培养的瑞士乳杆菌H11发酵液活菌数为(9.02±0.23)×10^(9)CFU/mL。结论:对瑞士乳杆菌H11最适培养条件的解析,确定了该菌可工业化生产的最适发酵工艺。在提高其活菌数的同时,降低了生产成本,为瑞士乳杆菌H11的工业化生产提供了理论依据。

副干酪乳酪杆菌PC-01不同表型菌落的基因组分析

目的:探究副干酪乳酪杆菌PC-01经高密度发酵后,不同表型菌落的基因组差异。方法:采用第2代测序技术,对高密度发酵的10株具有不同表型特征的副干酪乳酪杆菌PC-01分离株进行全基因组测序,通过比较基因组学方法揭示这10株分离株之间的差异。结果:10株副干酪乳酪杆菌PC-01分离株的基因组大小为2.69~2.83 Mb,GC含量为46.50%~46.64%,CDs数目为2793~3406个,不同菌落的基因组大小、GC含量存在较小差异。功能注释结果显示不同菌株编码碳水化合物、蛋白质代谢以及参与氨基酸及其衍生物合成和降解的基因数量及种类均存在差异。基于核心基因构建系统发育树,发现具有相似菌落形态的菌株在同一分支。单核苷酸多态性(SNPs)结果表明:每两个相同菌落形态的不同分离株存在相同的突变位点,这也进一步证实菌落形态与基因型相关联。分析发现10株分离株中均存在糖基转移酶(eps J、pbp F、pon A等)及ABC蛋白家族(yhe S、bce B、bce A、pcr A和uvr A等)相关基因发生非同义突变,使菌株在高密度发酵过程中,能更好地适应环境而存活下来。菌落PC-01-3和PC-01-4与其它菌落形态具有明显差异,lta S基因发生非同义突变。脂磷壁酸合酶(Lta S)的缺乏会导致细菌表现出细胞分裂受损和生长缺陷,这可能是导致菌落形态差异的主要原因。结论:从全基因组水平完成了副干酪乳酪杆菌PC-01的10个分离株的比较分析,解析了同一菌株高密度发酵后不同表型菌落之间的差异,为副干酪乳酪杆菌PC-01的后续研究提供数据支持。

嗜热链球菌m6A甲基化差异研究

嗜热链球菌是乳制品工业生产中最为重要的发酵剂之一,具有良好的发酵特性。DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式,可在不改变DNA序列的前提下影响基因表达。本文选取2株产酸表型具有较大差异的嗜热链球菌为研究对象,通过甲基化组学探究m6A甲基化与遗传表型的关系。利用PacBio SMRT测序平台对嗜热链球菌IMAU80278与嗜热链球菌IMAU20416进行基因组测序及m6A甲基化测定,比较2株嗜热链球菌功能基因及m6A甲基化差异。结果表明,嗜热链球菌IMAU80278与嗜热链球菌IMAU20416基因组相似,且功能基因均以碳水化合物代谢及氨基酸代谢为主。嗜热链球菌IMAU80278与嗜热链球菌IMAU20416限制修饰系统,m6A甲基化位点和m6A基序均存在显著差异,特别是在碳水化合物代谢及氨基酸代谢相关功能基因的m6A甲基化存在明显差异。推测m6A甲基化的差异可能导致嗜热链球菌IMAU80278与嗜热链球菌IMAU20416产酸表型的不同。此外,从表观遗传学角度探究嗜热链球菌DNA甲基化对发酵特性的影响,为优良发酵剂的筛选及利用奠定理论基础。

基于非靶向代谢组学鉴定不同蜜源蜂巢生物活性成分

蜂巢具有多种生物活性功能,但对其生物活性成分的研究鲜见。该研究采用液相色谱-四极杆飞行时间质谱(liquid chromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry,LC-Q-TOF/MS)技术分析来自云南的4种不同蜜源蜂巢样本,筛选差异代谢物及生物活性物质。结果显示,蜜源为百花、草药及米团花的蜂巢均含有对人体有益的生物活性成分,且三者之间代谢物差异显著,以草药和米团花为蜜源的蜂巢生物活性物质更为丰富。两种蜂巢中共鉴定出45种活性物质,包括氨基酸及其衍生物、黄酮类化合物、有机酸及其衍生物、酚酸类物质、糖类物质、吲哚及其衍生物、辅酶和维生素类以及生物碱。非靶向代谢组学技术能够精准地揭示不同蜜源蜂巢的生物活性物质,为不同蜜源蜂巢的识别和评价提供技术参考。

基于比较基因组学解析植物乳植杆菌ST的功能基因组

解析植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)ST的功能基因组特征,为其开发利用奠定基础。对L.plantarum ST与1株模式菌株ATCC 14197T基因组序列及NCBI中已公开的152株L.plantarum全基因组序列进行比较基因组学分析。基于154株L.plantarum的1262个核心基因构建了系统发育树,发现ST与肠道分离株BCC9546遗传距离最近。乳、肉制品分离株分别集中在第II分支的上半部分和下半部分,因来源不同而存在差异,且存在一定的聚集性。同时果蝇分离株具有明显聚集趋势。功能注释分析发现,ST基因组中包含磷酸转移酶系统糖类转运系统相关基因,还注释到了免疫调控通路相关基因,同时有较多水解或重排糖苷键的基因。ST不存在毒力因子和耐药基因。与其他L.plantarum相比,ST携带特有的与能量转运功能有关的功能基因ecfT。此外,ST具有与群体感应信号分子AI-2、黏附分子和谷胱甘肽合成相关的功能基因。API 50 CHL碳水化合物代谢结果显示,L.plantarum ST能利用丰富的碳源,可代谢包括单糖类、糖苷和二糖类及多糖类等中29种碳源。本研究从基因组层面分析L.plantarum ST功能基因组特征,同时结合糖发酵表型实验结果,认为L.plantarum ST是1株安全且具有潜在益生特性的益生菌,为其开发利用提供遗传学基础。

短促生乳杆菌基因组学研究进展

短促生乳杆菌(Levilactobacillus brevis)是常见乳酸菌物种,主要存在于植物茎叶表面、泡菜、乳制品以及肠道等生态位。L.brevis具有优良的生理功能,是潜在的益生菌物种。随着基因组学研究兴起,从基因水平揭示L.brevis的遗传学特征及功能基因特性对该菌的应用具有重要意义。本文主要围绕L.brevis的遗传背景及重要功能基因进行综述,以期为L.brevis的应用研究奠定理论基础。