韩国人参源益生菌候选株Lacticaseibacillus rhamnosus B3421全基因组解析及其功能潜力研究

本研究针对益生菌功能机制不明的问题，对人参源Lacticaseibacillus rhamnosus B3421进行全基因组测序（PacBio+Illumina双平台）。通过COGs、CARD、BAGEL4等分析发现：该菌株不含AMR/ABR基因（安全性），含Enterocin X等抗菌肽基因及24个抗氧化相关基因（功能潜力），与L. rhamnosus GG核心基因组差异显著（ANI 99.99%但独立分支）。发表于《BMC Genomic Data》的研究为开发新型抗氧化/抗炎益生菌提供理论依据。

　　

研究背景

在人类追求健康老龄化的今天，肠道菌群调控成为研究热点。乳酸菌作为公认的益生菌"明星"，其代表菌株Lacticaseibacillus rhamnosus GG（ATCC 53103）已被证实对腹泻、过敏等疾病具有改善作用。然而，随着微生物耐药性(AMR)问题日益严峻，以及消费者对天然来源益生菌的青睐，科学家们开始从传统药用植物中寻找更安全、更具功能特性的新菌株。韩国人参(Panax ginseng C. A. Meyer)作为具有2000年药用历史的"百草之王"，其表面附生的乳酸菌可能继承了宿主的部分活性特征。前期研究发现，从人参中分离的L. rhamnosus B3421菌株的蛋白提取物展现出比L. rhamnosus GG更强的抗皮肤癌细胞活性，但其分子机制仍是未解之谜。

关键技术方法

研究团队采用PacBio Sequel+Illumina HiSeq双平台测序（覆盖度151×2 bp），通过SMRT Analysis 2.3.0和Pilon v1.21进行基因组组装校正。利用Prokka v1.13预测基因，BUSCO v5.13评估完整性。功能注释采用EggNOG v5.0（COGs分类）、CARD数据库（AMR筛查）、BAGEL4（抗菌肽分析）和GO术语（氧化还原酶鉴定）。进化分析通过FastANI计算平均核苷酸一致性(ANI)，Roary构建核心基因组，MEGA11构建系统发育树（以L. casei ATCC 393为外群）。

研究结果

基因组基本特征

完成图显示B3421具有3,000,051 bp环形染色体（GC含量46.70%），含2,807个CDSs、59个tRNAs和15个rRNAs。COGs分类成功注释99.13%的编码基因（2,758/2,807），剩余49个为未知功能蛋白。

安全性与功能基因

CARD分析未检出任何抗生素耐药基因(ARG)。BAGEL4鉴定出ggmotif(PF10439)、Enterocin_X_chain_beta和Carnocin_CP52等抗菌肽合成基因。特别值得注意的是，发现24个与过氧化物酶/还原酶活性相关的基因，这可能是其抗氧化能力的分子基础。

比较基因组学

尽管与明星菌株L. rhamnosus GG的ANI达99.99%，但核心基因组系统发育显示B3421形成独立分支（bootstrap支持率67%），与4B15、LDTM7511等菌株聚为益生菌进化枝。

结论与意义

该研究首次揭示人参源L. rhamnosus B3421兼具"无AMR基因"的安全特性和"抗菌肽+抗氧化酶"的功能潜力。其独特的基因组特征暗示：虽然与L. rhamnosus GG亲缘相近，但可能通过不同的分子机制发挥益生作用。这些发现不仅为开发基于传统药用植物的新一代益生菌提供候选菌株，更重要的是建立了"植物-微生物"功能性共进化研究的新范式。未来需通过体外实验验证其抗氧化酶活性和抗菌肽产量，以充分释放其应用于功能性食品和动物饲料添加剂的潜力。