Lactiplantibacillus plantarum LY-21的抗菌活性与安全性特征：基因组学与表型学研究

《Food Bioscience》：Antimicrobial activity and safety profile of Lactiplantibacillus plantarum LY-21: Genomic and phenotypic insights

菌株LY-21抗菌活性与基因组特征揭示其作为安全益生菌和天然防腐剂的潜力。细胞外组分对革兰氏阳性/阴性菌均有效，生化验证显示细菌素为关键抗菌物质，基因组鉴定出多个抗菌代谢物基因簇，协同作用增强抑菌效果，且无溶血及生物胺风险。

　　

杨杜|王丽佳|徐静茹|赵世通|李金全|吴仁伟

华中农业大学食品科学与技术学院，武汉，430070，中国

摘要

本研究对从泡菜中分离出的Lactiplantibacillus plantarum LY-21菌株进行了表征，重点关注其益生菌特性和抗菌潜力。该菌株的无细胞上清液（CFS）对十种革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体表现出优异的抗菌活性。通过蛋白酶处理进行的生化验证证实了细菌素的存在，这些细菌素在去除有机酸和过氧化氢后仍保持抗菌活性。基因组分析进一步确定了负责合成多种抗菌代谢产物的关键基因簇，包括二肽细菌素簇（plnEF）、胞外多糖（EPS）基因簇（cps2, cps3, cps4）以及参与苯乳酸（氨基转移酶、乳酸脱氢酶）和吲哚-3-乳酸（芳香氨基酸转移酶、吲哚-乳酸脱氢酶）生物合成的酶。这些化合物被认为通过膜破坏、DNA损伤和代谢抑制等互补机制具有潜在的协同效应，从而共同增强了整体的抗菌效果。结合其较高的胃肠道耐受性、良好的抗生素敏感性以及不产生溶血性物质或生物胺的特点，这些发现支持L. plantarum LY-21作为安全益生菌和天然抗菌剂的潜力。

引言

随着全球食品安全和公共卫生问题的日益突出，开发高效且安全的天然抗菌策略已成为食品工业、农业和医学领域的重要需求。尽管传统的化学防腐剂和抗生素被广泛使用，但它们存在潜在的健康风险，会促进抗菌耐药性的产生，并导致环境污染。例如，加工肉类中的亚硝酸盐可能形成致癌的亚硝胺，而亚硫酸盐可能引发严重的过敏反应。更为严重的是，抗生素在临床和农业中的过度使用导致了多重耐药“超级细菌”的出现，如耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐万古霉素的肠球菌（VRE），使曾经可治疗的感染变得危及生命（Parmanik等人，2022年）。这一危机凸显了寻找天然、安全且有效替代品的紧迫性。在这种情况下，噬菌体疗法和核糖体合成的抗菌肽（如细菌素）因其高特异性和安全性而受到广泛关注（Teber & Asakawa，2024年）。然而，它们的实际应用面临诸多挑战，包括噬菌体宿主范围狭窄、抗菌分子难以穿透革兰氏阴性细菌富含脂多糖（LPS）的外膜，以及抗菌活性对环境pH值的高度敏感性（May & Grabowicz，2018年；Tavares等人，2024年）。

乳酸菌（LAB）被认定为公认安全（GRAS）细菌（Azevedo等人，2024年），由于其显著的抗菌特性而成为天然抗菌剂的理想来源。它们的抗菌机制包括竞争性排斥、有机酸的产生以及多种核糖体合成抗菌肽（细菌素）和其他代谢产物（如苯乳酸（PLA）和吲哚-3-乳酸（ILA）的合成（Jamwal等人，2019年；Lunavath等人，2023年）。因此，筛选能够产生强效且理想情况下具有广谱抗菌活性的新型LAB菌株是一个重要的研究方向。

全基因组测序（WGS）的出现彻底改变了这一研究方向。WGS允许在计算机上挖掘菌株的遗传库，以寻找编码细菌素、有机酸和其他抗菌物质的生物合成基因簇（BGCs），与传统基于活性的纯化方法相比，大大加速了发现进程（Alam等人，2022年）。此外，基因组分析提供了关于菌株安全性的宝贵信息——评估其是否含有毒力因子、抗生素抗性基因和生物胺（如腐胺、尸胺）生成基因，这是工业应用的前提条件（Vorapreeda等人，2025年）。

本研究聚焦于从传统发酵泡菜中分离出的Lactiplantibacillus plantarum LY-21菌株。通过全基因组测序，全面挖掘了其编码各种抗菌物质的遗传潜力，特别是细菌素。体外实验验证了其无细胞上清液对常见食源性病原体的强大抗菌活性。通过酸中和、过氧化氢酶和蛋白酶处理实验，进一步证实了类似细菌素的物质在其抗菌活性中的关键作用。结合其出色的安全性——无溶血活性，以及不产生有害生物胺的遗传决定因素和表型潜力——本研究将L. plantarum LY-21视为下一代天然生物防腐剂的极具前景的候选菌株。

部分摘录

菌株

Lactiplantibacillus plantarum LY-21是从泡菜中分离得到的。抗菌实验针对了十种细菌病原体：沙门氏菌 Typhimurium ATCC 14028、大肠杆菌 ATCC 25922、金黄色葡萄球菌 ATCC 6538、单核细胞增生李斯特菌、粪肠球菌、粪肠球菌、蜡样芽孢杆菌 ATCC 6633、鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯菌 ATCC 10031和铜绿假单胞菌 ATCC 27853；以及三种真菌：汉森德巴里酵母、黄曲霉。

抗菌能力

L. plantarum LY-21的无细胞上清液对所有十种测试的食源性病原菌均表现出强效的抗菌活性（图S2）。其中，对革兰氏阳性病原体金黄色葡萄球菌、单核细胞增生李斯特菌和粪肠球菌的抑制效果最为显著，抑制圈超过20毫米（表1）。对粪肠球菌和蜡样芽孢杆菌也检测到了中等但显著的抗菌活性。

讨论

LY-21菌株的无细胞上清液对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出抗菌效果。所有革兰氏阴性病原体的抑制圈均超过15毫米，显示出其优异的抗菌特性。为了客观评估LY-21的抑制效果，我们将其与已知具有抗菌特性的其他L. plantarum菌株进行了直接比较。Shu等人（2024年）报道了从cupei中分离出的L. plantarum SC27菌株。

结论

Lactiplantibacillus plantarum LY-21作为一种优秀的生物控制剂，对食源性病原体具有显著效果，这得益于其多样的抗菌机制以及经过验证的安全性和益生菌特性。本研究确立了其作为天然生物防腐剂的潜力，未来的研究将致力于对其抗菌化合物的功能表征及其在食品系统中的实际应用。

CRediT作者贡献声明

杨杜：撰写——初稿、方法学、数据管理。王丽佳：撰写——审稿与编辑、验证、方法学。徐静茹：数据分析。赵世通：实验研究。李金全：监督、资源获取、资金筹措。吴仁伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹措。

资助

本研究由中国国家重点研发计划（2023YFD1801000）资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。