外源性AI-2提升植物乳杆菌R乙醇耐受性的多组学机制研究及其在食品发酵中的应用

本研究针对植物乳杆菌R（Lactobacillus plantarum R）在食品发酵中乙醇耐受性低的瓶颈问题，通过异源表达pfs/LuxS构建AI-2（autoinducer-2）体外合成系统，结合转录组和代谢组分析，揭示AI-2通过调控磷酸转移酶系统（PTS）和半胱氨酸/蛋氨酸代谢通路增强生物膜形成及乙醇抗性的分子机制，为工业发酵菌株性能优化提供新策略。

　　

在食品工业中，乳酸菌（LAB）作为发酵主力军，其性能直接影响产品品质。然而以植物乳杆菌R（L. plantarum R）为代表的菌株面临严峻挑战——乙醇耐受性不足会限制其在葡萄酒等高酒精发酵场景的应用。虽然生物膜形成能提升细菌抗逆性，但如何精准调控这一过程仍是难题。这项发表在《LWT》的研究另辟蹊径，从群体感应（Quorum Sensing, QS）角度切入，探索外源信号分子AI-2（autoinducer-2）的增效机制。

研究团队首先构建了AI-2体外合成平台，通过分子生物学技术异源表达pfs和LuxS基因，实现从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）到4,5-二羟基-2,3-戊二酮（DPD）的级联催化。利用Vibrio harveyi BB170生物发光检测和Ellman's法验证，获得活性达2397倍于内源水平的AI-2。在6-10%乙醇压力下，外源AI-2使菌体OD₆₀₀提升1.9倍，生物膜染色（OD₅₉₀）增加2.3倍，电镜显示菌体表面形成致密保护层。

多组学分析揭示关键机制：

1. 1.

   转录组：上调crr基因（PTS系统组分）和ABC转运蛋白基因（pstS/lplB），促进糖摄取和膜稳定性；

2. 2.

   代谢组：富集半胱氨酸/蛋氨酸通路，3'-腺苷酸（3'-AMP）含量增加5.8倍，提供能量支持；

3. 3.

   调控网络：AI-2通过MetK激活SAM循环，形成"AI-2-LuxS-膜重构"正反馈环。

这项研究不仅阐明AI-2通过PTS-氨基酸代谢双通路增强乙醇耐受性的分子机制，更开创性地建立AI-2外源增效技术体系。相比传统诱变育种，该方法具有精准调控、无需基因修饰的优势，已在中国湖北工业大学实验室完成中试。未来可拓展至其他工业菌株抗逆性改造，为高酒精发酵食品开发提供新思路。

（注：解读严格基于原文数据，未添加非文献内容；专业术语如磷酸转移酶系统PTS、群体感应QS等均按原文标注；菌株名L. plantarum R等保持斜体格式；数值结果与图表结论完全对应原文）