适应性进化优化植物乳杆菌短期柠檬酸应激响应机制：提升酸耐受性的新见解

本研究针对食品发酵中微生物面临的高浓度柠檬酸胁迫问题，通过比较转录组学和基因组学分析，揭示了植物乳杆菌（L. plantarum）祖先株（1G）与进化株（1260G）在短期应激中的基因调控差异。研究发现两株菌共享84.7%的差异表达基因（DEGs），包括下调嘌呤代谢以节能和上调氨酰-tRNA生物合成以促进蛋白质合成。进化株通过pyrG和fabI等关键突变优化了嘧啶代谢和膜流动性，显著降低基因表达波动幅度，形成更高效的生存策略。该成果为工业发酵菌株的理性改造提供了分子靶点，发表于《LWT》。

　　

在食品发酵和益生菌制剂领域，高浓度柠檬酸（2-20 g/L）是制约微生物活性的关键瓶颈。当水果发酵或蔬菜腌制过程中pH值降至3.7时，乳酸菌的生长代谢会严重受阻，导致发酵周期延长、产物品质下降。植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）作为广泛应用于泡菜、酸奶等发酵食品的益生菌，其酸耐受性直接决定工业生产效率。虽然前人已发现该菌通过质子泵调节pH、改变膜脂肪酸组成等基础抗酸机制，但短期应激响应与长期进化适应的关联机制仍是未解之谜——这就像知道汽车有刹车系统，却不清楚驾驶员如何根据路况动态调整刹车力度。

针对这一科学盲区，江南大学的研究人员开展了一项创新研究。他们通过180天的实验室适应性进化（ALE），在梯度增加的柠檬酸压力下培育出耐受20 g/L柠檬酸（pH 3.7）的进化株1260G，其生物量达到祖先株的2.4倍。通过整合比较转录组、基因组和定点突变验证，团队首次绘制出从基因突变到代谢网络重构的完整适应路径。这项揭示微生物"逆境求生"分子蓝图的研究成果发表在食品科学顶级期刊《LWT》上。

研究采用三大关键技术：① 适应性实验室进化（ALE）构建高耐受菌株；② Nanopore和Bgisq-500双平台测序检测基因组突变；③ RNA-Seq结合RT-qPCR验证差异表达基因（DEGs）。通过HPLC测定组氨酸含量，辅以Cre/loxP重组系统构建fabI^C24W等点突变菌株，确保数据可靠性。

3.1 基因表达模式的重编程
进化株1260G展现出更"从容"的应激反应：虽然与祖先株共享1,257个同向调控基因，但其表达波动幅度显著降低。例如secE基因在祖先株中下调至0.14%，而在进化株中反而上调1,261倍。这种"减震器"效应表明进化株能以更小的转录扰动维持核心功能，体现代谢网络的稳健性。

3.2 保守应激机制的进化优化
两株菌共同下调嘌呤代谢基因（降幅2-50倍）以节省ATP，同时上调氨酰-tRNA合成酶（升幅2-11倍）加速损伤蛋白替换。特别发现细胞分裂蛋白ftsW和肽聚糖合成酶murG的协同上调（2-4倍），像"建筑工人"般强化细胞壁防御工事。而蛋白输出系统组分yidC的上调与secB的下调（0.25-0.4倍），则像"海关通道"选择性放行关键蛋白。

3.3 祖先株的"应急方案"
祖先株启动"全油门"响应：① 脂肪酸合成基因（fabG/fabD等）上调3.2-6.2倍，但进化株通过fabI^C24W突变将碳流导向不饱和脂肪酸，使膜脂不饱和度从41.7%提升至54%；② 核糖体结构基因普遍上调2.2-3.3倍，但进化株仅轻微调整，如同老司机"点刹"替代新手"急刹"；③ 精氨酸生物合成基因上调2.9-4.7倍，通过尿素循环排氨稳pH。

3.4 进化株的"高阶技能"
1260G展现出四大创新策略：① 组氨酸代谢基因（hisA/hisB等）上调2.8-8.8倍，突变体hisP/hisC使组氨酸积累量提高1.3倍，利用咪唑环pKa缓冲pH；② pyrG^I287L突变使CTP合成酶活性增强，CTP水平提升1.8倍，促进核酸修复；③ 泛酸-CoA合成基因上调2.2-3.4倍，配合frdA突变优化能量代谢；④ 生物膜基因（bcsA/glgA等）上调2-3.1倍，突变体cwa1/cwP增强菌体聚集防御。

这项研究首次系统阐释了植物乳杆菌从"应激求生"到"从容适应"的进化轨迹。通过fabI和pyrG等"分子开关"的精准调控，进化株将祖先的粗放响应转化为节能高效的生存策略，犹如升级了细胞的智能控制系统。该发现不仅深化了微生物适应性进化理论，更为设计抗酸发酵菌株提供了pyrG（嘧啶代谢）、fabI（膜流动性）、hisP（pH缓冲）等关键靶点。未来研究可探索这些突变在乳酸菌群体中的普适性，以及组合突变对工业菌株性能的协同提升效应。在应对气候变化引发的原料酸度波动背景下，这项成果对保障发酵食品品质稳定性具有重要实践价值。