综述：对冲策略与劳动分工：表型异质性如何帮助食源性病原体适应多样的环境压力

《Food Structure》：Bet-hedging and division of labor: How phenotypic heterogeneity helps foodborne pathogens adapt to diverse environmental stresses

食品中细菌需应对预收获、加工及肠道消化等多阶段持续或同时的环境压力，表型异质性（同一基因型、环境下细胞表型差异）通过分散风险策略（如不同适应型细胞共存）和分工策略（协同完成复杂功能）增强群体适应能力，为精准防控提供理论依据。

　　

王丽杰|李晨飞|王燕|郭娜

吉林大学食品科学与工程学院，长春130062，中国

摘要

食源性细菌在食品生产的不同阶段以及宿主体内需要持续或同时面对多种压力，包括采前、加工和胃肠道消化阶段。表型异质性指的是具有相同遗传背景和环境的细胞之间的表型差异。细菌可以利用表型异质性来实现群体层面的功能并适应多样的环境压力。本文系统概述了细菌表型异质性的机制，以及它如何通过风险分散和分工策略增强细菌对复杂环境的适应能力。总结了当前关于异质性如何使细菌具备集体功能以适应环境的研究发现。本综述的目的是为后续研究提供全面的理论基础，并为制定有针对性的干预措施以确保食品安全提供视角。

引言

食品安全一直是一个关键问题。食源性细菌在人类环境中广泛存在，会导致食品污染，对消费者健康构成威胁，并引发严重的公共卫生和安全问题（G?kmen等人，2024年；Zhang、Liu等人，2025年）。世界卫生组织（WHO）报告称，全球每年约有6亿例食源性疾病病例，导致42万人死亡（世界卫生组织（WHO），2021年）。食源性细菌可以通过多种途径在加工链的不同步骤污染食品，从农场一直延伸到消费者手中。为了有效降低食源性细菌的风险，必须在食品加工的所有阶段实施控制措施，包括一系列物理和化学处理方法（Butucel等人，2022年；Kim等人，2023年；Xue等人，2025年）。此外，当细菌通过食品加工链成功进入人体胃肠道后，胃液、胆汁和肠道微生物群会对它们产生致命压力（Akritidou等人，2023年；Oliveira等人，2025年）。同时，胃肠道的先天性和适应性免疫也在抵抗病原体方面发挥着重要作用（Jordan & Clarke，2024年）。因此，食源性病原体在食品系统和胃肠道中会暴露于多种压力因素之下。

尽管存在这些障碍，食源性细菌污染仍然是一个持续存在的问题（Fagerlund等人，2022年；Zeng等人，2024年）。研究表明，细菌通过表型异质性策略逃避这些压力，并在食品链中持续存在和传播（Saint Martin等人，2022年）。表型异质性指的是在同一环境中具有相同遗传背景的细胞之间的表型差异（Ackermann，2015年）。传统的观点将微生物群落视为一个协同的整体，但这种观点忽略了群体内部的复杂性和表型异质性。基因相同的微生物在表型上表现出显著的异质性，这体现在细菌的生长、毒力和抗性等方面（Cooper等人，2022年；Papagianeli等人，2022年）。许多研究报道了食源性细菌群体内的表型异质性，例如沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌群体内的生长速率差异（Bannenberg等人，2021年；Papagianeli等人，2022年），以及大肠杆菌个体黏附性的差异（Laskowski等人，2021年）。

表型异质性作为一种风险分散和分工策略，为细菌在群体层面的环境适应提供了优势（Liao，2024年）。风险分散本质上是一种策略，其中群体中的一些表型可以适应不利环境但生长缓慢。当环境突然变化时，这些看似不利的表型实际上具有选择优势，有助于细菌应对未来的潜在剧烈环境变化（Ackermann，2015年；Morawska等人，2022年）。分工显著扩展了群体能够执行的复杂协同功能的多样性，使它们能够更有效地应对环境挑战（Schr?ter & Dersch，2019年）。

鉴于表型异质性策略在微生物环境适应中的重要作用，可以合理推测表型异质性对于细菌在食品系统和胃肠道中的环境适应至关重要，而这可能带来严重的食品安全风险。尽管有一些综述总结了细菌在抗生素或胃酸等单一因素下的适应机制，但缺乏对食品加工和胃肠道相关环境中表型异质性策略的系统整合。因此，本文回顾了食源性细菌产生表型异质性的机制，并系统讨论了表型异质性策略如何帮助细菌适应食品系统中的相关压力，为精确控制食源性病原体提供了理论基础和干预目标。

部分摘录

表型异质性的机制

表型异质性受多种机制的影响，一些研究表明异质性独立于环境信号和遗传差异而产生（Ackermann，2015年；Elowitz等人，2002年；Huh & Paulsson，2011a；Huh & Paulsson，2011b）。尽管决定表型异质性的分子细节有很多，但它本质上源于随机过程，如分子噪声、不对称分裂和细胞间相互作用等

表型异质性如何增强微生物的环境适应能力

变化的环境要求微生物感知并相应地调整其生命活动。这种确定性适应是微生物适应环境的常见策略（Ahn等人，2020年）。然而，这种情况并不总是可行的；因为在大多数情况下，环境变化太快，微生物无法及时表现出表型特征（Ackermann，2015年）。其次，由于环境条件的复杂性和多样性，微生物

表型异质性检测技术

在单细胞水平上监测食品中细菌的代谢活动可以实时跟踪微生物群落内活动分布的变化，为研究和预防表型异质性提供关键证据。单细胞拉曼光谱技术通过捕获分子振动信号并解析未标记单个细胞中的生化表型，在检测细菌的表型异质性方面显示出巨大潜力（Xu、Luo等人

结论

表型异质性使我们能够重新审视微生物群体，即使在相同的遗传背景和环境条件下，微生物细胞也可以表现出不同的行为和特性。本综述系统探讨了细菌产生表型异质性的机制。研究表明，表型异质性通过风险分散和分工策略增强了细菌在复杂环境中的适应能力，从而可能构成潜在威胁

CRediT作者贡献声明

王丽杰：撰写——原始草稿、方法论、数据管理、概念化。李晨飞：方法论、数据管理。王燕：方法论。郭娜：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们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

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFD1800800）的支持。