γ-氨基丁酸高产乳酸菌的诱变育种与发酵优化：转录组解析高产机制

《Food Bioscience》：Mutagenesis and Breeding of γ-Aminobutyric Acid-Producing Lactic Acid Bacteria: Optimization of Fermentation Conditions and Transcriptome Analysis

本综述系统阐述了通过常压室温等离子体（ARTP）诱变技术结合响应面法（RSM）优化发酵条件，显著提升短乳杆菌γ-氨基丁酸（GABA）产量的策略。研究通过五轮迭代诱变获得遗传稳定的突变株UV5-8，在5 L发酵罐中采用pH控制、分批补料及混合碳源策略，最终实现99.8 g/L的GABA产量，转录组分析揭示gad基因表达上调5.4倍，为微生物法规模化生产GABA提供重要理论依据。

　　

Highlight

本研究亮点在于通过五轮ARTP迭代诱变，成功选育出具有超高GABA耐受性的短乳杆菌突变株UV5-8。结合精准的发酵工艺调控（包括pH控制、分批补料谷氨酸钠和混合碳源策略），在5 L发酵罐中实现GABA产量突破性提升至99.8 g/L，生产效率达2.38 g/L/h。转录组分析进一步揭示突变株中gad基因（编码谷氨酸脱羧酶GAD）表达量较野生型显著上调5.4倍，从分子层面阐释了高产机制。

Section snippets

Strains and culture conditions

实验所用95株乳酸菌均由华中农业大学发酵工程实验室分离保藏。菌株于-80°C甘油管保存，复苏时划线接种于MRS固体培养基，37°C恒温培养48小时至单菌落清晰可见。种子液制备按1%接种量将菌株接种于含100 mL MRS液体培养基的250 mL锥形瓶，37°C静置培养24小时。

Iterative mutagenesis of ARTP and screening of high GABA-producing lactic acid bacteria

通过显色法结合高效液相色谱（HPLC）从实验室保藏的95株乳酸菌中筛选出9株具备GABA生产能力的菌株。其中短乳杆菌3-29表现尤为突出，GABA产量达2.32 g/L（图1A），因此被选为ARTP诱变的起始亲本株。经验表明，致死率控制在85%-95%时突变效果最佳，故每轮诱变均通过预实验确定最佳等离子体处理时间。经过五轮迭代筛选，最终获得一株遗传稳定且GABA产量提升至3.86 g/L的优良突变株UV5-8。

Discussion

本研究成功分离得到一株益生特性优良的野生型短乳杆菌3-29，通过五轮ARTP诱变筛选获得GABA耐受性逐步增强的突变株。后续采用pH控制的分批补料发酵策略，使GABA产量显著超越当前多数报道水平。关键创新点在于针对ARTP突变株UV5-8的生理特性，开发了量身定制的混合补料策略，该策略通过精准调控碳氮源供给，协同提升菌体密度与GABA合成效率。转录组数据表明，gad基因的显著上调是突变株高产的重要分子基础，为理性改造工业菌株提供了新视角。