热稳定芽孢杆菌(Parageobacillus和Geobacillus)萌发受体基因组鉴定及萌发表型响应机制研究

本研究针对食品腐败和生物技术应用中重要的热稳定芽孢杆菌(Parageobacillus/Geobacillus)萌发机制不清的问题，通过基因组分析105株菌株的萌发受体(GRs)操纵子，并结合22株代表菌株的萌发表型实验，发现所有菌株携带2-5个GRs（主要与B. subtilis GerK同源），但仅部分菌株响应糖类萌发剂，且菌落形成效率显著低于典型芽孢杆菌（3%-53%），揭示了该属萌发机制的独特性，为控制食品腐败和优化生物指示剂应用提供新见解。

　　

在食品工业和生物技术领域，热稳定芽孢杆菌(Parageobacillus和Geobacillus)的孢子既是顽强的腐败因子，又是重要的生物工具。这些耐热孢子能抵抗商业灭菌过程，在气候变暖背景下更易引发食品变质；同时作为灭菌效果生物指示剂和抗生素检测工具，其萌发可控性直接影响应用效能。然而，与Bacillus和Clostridium等模式菌相比，(Para)Geobacillus的萌发受体(GRs)多样性和功能机制长期缺乏系统研究，导致食品保鲜策略开发和生物技术应用优化存在盲区。

为填补这一知识空白，西班牙萨拉戈萨大学的Maika Salvador团队在《Current Research in Microbial Sciences》发表研究，首次对105株(Para)Geobacillus基因组进行GRs操纵子鉴定，并选取22株代表菌株开展萌发表型分析。研究采用基因组重注释、多序列比对和最大似然法构建系统发育树解析GRs进化关系；通过光学密度监测和显微计数量化孢子对营养/非营养萌发剂的响应；结合菌落计数评估萌发-生长的转化效率。

研究结果揭示三大关键发现：

1. 1.

   GRs操纵子的基因组特征

   所有菌株携带2-5个GRs操纵子，其中GerK1（与B. subtilis 168和Priestia megaterium QM B1551同源）为唯一保守型，覆盖率达90%且亚基A相似性>57%。41.1%菌株存在第二GerK2变体，83.2%携带B. anthracis GerX1同源基因。系统发育分析显示GRs亚基在属内呈现显著多样性，如G. stearothermophilus不同菌株的GRs甚至分散于不同进化枝。

2. 2.

   非典型萌发表型

   与常见芽孢杆菌不同，所有测试菌株对L-氨基酸和核苷酸均无响应，仅G. thermodenitrificans DSM 465^T对苯丙氨酸有弱反应。值得注意的是，8株菌（包括G. stearothermophilus ATCC 12980^T和5株P. thermoglucosidasius）能响应多种糖类（葡萄糖、果糖、麦芽糖等），其中AGFK（天冬酰胺+葡萄糖+果糖+KCl）组合可显著增强G. thermodenitrificans的萌发效率（OD₆₀₀降低53.9%）。热激活或NaNO₂处理未能改善萌发响应，而所有菌株均能通过CaDPA（非GR依赖途径）有效萌发。

3. 3.

   菌落形成效率缺陷

   在TSAYE培养基上，孢子形成可见菌落的效率仅为2.6%-52.5%，远低于B. subtilis 168（99.5%）。显微分析发现，低效菌株（如G. stearothermophilus ATCC 7953）在液体培养基中萌发率可达93.2%，但仅3%能完成后续生长，表明障碍主要存在于萌发后生长阶段。CaDPA预处理虽促进萌发，却进一步抑制菌落形成，暗示萌发与生长的调控机制存在解耦。

这项研究首次系统揭示了(Para)Geobacillus萌发机制的独特性：其GRs虽在结构上与典型芽孢杆菌保守，但功能可能已发生适应性演化；对糖类的特异性响应提示自然生境选择压力；而普遍的萌发-生长效率失衡现象，则解释了传统培养法对热稳定孢子的低估问题。这些发现不仅为开发靶向萌发抑制的食品保鲜技术提供分子靶点（如GerK1），也提示现行生物指示剂效价评估需建立分子检测等替代方法。未来研究需解析GRs信号转导途径的种系特异性，以及萌发与生长耦合失效的深层机制。