嗜热链球菌半乳糖代谢重塑的基因组与转录组学解析：从Gal-到Gal+表型的分子机制

为解决嗜热链球菌（S. thermophilus）Gal-表型导致的乳制品半乳糖积累问题，研究人员通过NTG诱变获得Gal+突变株IMAU80809Y，结合基因组与转录组分析发现galM/K/T/R基因上调重塑了Leloir通路代谢网络，显著提升发酵乳黏度并降低半乳糖残留（0.208 g/100g），为优良发酵菌株选育提供理论依据。

　　

在酸奶和奶酪的工业化生产中，嗜热链球菌（S. thermophilus）作为核心发酵菌种，其代谢特性直接影响产品品质。然而自然界中90%以上的野生菌株存在"半乳糖缺陷"（Gal^-）现象——这些菌株只能代谢乳糖水解产生的葡萄糖，却将半乳糖排出胞外，导致终产品中残留大量未利用半乳糖（0.6-1.2 g/100g）。这不仅造成碳源浪费，更会引发乳糖不耐受人群的腹胀症状，成为制约乳品产业升级的瓶颈问题。

内蒙古某微生物资源库的研究团队从传统甘肃牦牛乳酪中分离到一株性能优良的野生型嗜热链球菌IMAU80809，通过N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基胍（NTG）化学诱变，成功获得稳定遗传的Gal⁺突变株IMAU80809Y。该突变株的β-半乳糖苷酶活性提升76.16%，发酵乳黏度较野生型提高14.6%（1724 vs 1504 mPa·s），且半乳糖残留量降低34.7%。为揭示其分子机制，研究团队采用基因组重测序与RNA-seq技术，系统解析了代谢网络重塑的遗传基础。

关键技术方法
研究通过Illumina平台完成野生型与突变株的全基因组重测序（N50>100 kbp），采用RAST进行功能注释；转录组分析使用BGISEQ-500测序仪，以|log₂FC|≥1且P<0.05为差异基因标准；表型验证包括HPLC测定半乳糖含量、酶联免疫法检测Leloir通路关键酶活性。

研究结果

1. 基因组特征分析
比较基因组显示突变株在gal-lac操纵子区域存在4个非同义突变，其中galR转录调控因子的第128位丙氨酸突变为缬氨酸（A128V），可能解除对Leloir通路的抑制。

2. 转录组差异表达
Gal⁺突变株中galM（异构酶）、galK（激酶）、galT（转移酶）表达量分别上调2.3倍、1.8倍和2.1倍，形成完整的半乳糖→葡萄糖-1-磷酸代谢流。值得注意的是，lacZ（β-半乳糖苷酶）表达增加1.5倍，与酶活检测结果吻合。

3. 代谢通路重构
KEGG富集分析发现糖酵解（EMP）通路基因表达下调，而Leloir通路与磷酸戊糖途径被显著激活。这种代谢重定向使得半乳糖能够通过tagatose-6-phosphate支路进入糖酵解，避免胞外积累。

结论与意义
该研究首次证实NTG诱变可通过协同激活gal操纵子（galR-M-K-T）实现嗜热链球菌Gal^-→Gal⁺表型转化。突变株IMAU80809Y不仅能减少乳制品半乳糖残留（0.208 g/100g），其特有的代谢网络重构还显著提升发酵乳持水力（提高15.2%）和表观粘度，这对开发低乳糖酸奶、改善乳制品质地具有重要应用价值。研究结果发表于《International Dairy Journal》，为工业菌株定向改造提供了新靶点。