《Food Bioscience》：Multi-layered genomic analysis of cold-growth variability in food-associated
Listeria monocytogenes
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摘要单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）可在冷藏温度下生长，但驱动菌株间低温生长差异的基因组学机制尚不明确。本研究分析了118株与食品相关的分离株，这些菌株已在4°C和7°C下测定了最大比生长速率（μmax）。研究将进化谱系与克隆复合群的比较
摘要
单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）可在冷藏温度下生长，但驱动菌株间低温生长差异的基因组学机制尚不明确。本研究分析了118株与食品相关的分离株，这些菌株已在4°C和7°C下测定了最大比生长速率（μmax）。研究将进化谱系与克隆复合群的比较分析相结合，并筛选了50个已报道的耐冷基因，同时采用泛基因组基因含量关联分析（结合系统发育意识检验）以及核心基因组SNP关联分析（treeWAS）进行检测。谱系II分离株在两个温度下的生长速率均快于谱系I分离株，而克隆复合群对生长速率变异的贡献在4°C（25.1%）高于7°C（6.5%）。所有50个已报道的耐冷基因均在分离株中被检测到，表明已知耐寒基因的有无并不能解释菌株间的差异。初步泛基因组筛选鉴定出379个与生长速率相关的附加基因，主要集中在7°C，而系统发育意识分析鉴定出两个显著的附加基因座。核心基因组treeWAS分析鉴定出两个与7°C相关的基因座：yfmF和CRH04_RS08745，后者为一个预测的GNAT家族N-乙酰基转移酶，包含定义RimJ/RimL样核苷酸单倍型的六个连锁同义SNP。总体而言，遗传关联在7°C更为显著，突出了值得进一步功能研究和验证的与翻译及乙酰化相关的基因座。
引言
单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes，以下简称L. monocytogenes）是一种革兰氏阳性、兼性厌氧的食物源性病原体，可引起李斯特菌病（listeriosis），这是一种严重的侵袭性感染，在孕妇、新生儿、老年人和免疫功能低下者等脆弱人群中病死率约为20%（Disson等，2025；Radoshevich & Cossart，2018）。L. monocytogenes在冷藏温度下生长的能力使其区别于许多主要食源性病原体，并对食品安全构成持续挑战，特别是在无需再进行李斯特菌灭活处理的即食产品中（Allerberger & Wagner，2010；Bucur等，2018）。近期欧洲监测数据显示侵袭性李斯特菌病仍在持续增加，2023年欧盟报告了2,952例确诊的人类侵袭性病例（EFSA和ECDC，2024），突显了该病原体在冷链环境中的持续公共卫生重要性。
在种水平上，L. monocytogenes的冷适应分子基础已被广泛研究。关键机制包括调整膜脂质组成以维持流动性、通过专用转运系统积累甘氨酸甜菜碱和肉碱等相容性溶质、诱导冷激蛋白，以及通过替代σ因子σB激活一般性应激反应（Bucur等，2018；NicAogáin & O'Byrne，2016；Tasara & Stephan，2006）。翻译相关过程、RNA二级结构和蛋白质折叠也受冷应激影响，可能代表低温下生长的瓶颈（Phadtare，2004）。尽管这些研究已建立了使L. monocytogenes能在冷藏环境中存活和生长的核心适应机制，但其中大部分研究集中于保守的种水平机制，而菌株间低温生长能力差异的遗传基础仍未被充分阐明。
已有大量文献报道L. monocytogenes菌株在冷藏温度下生长速率存在显著差异，这些差异在一定程度上受进化谱系和克隆复合群的结构影响（Cheng等，2025；Muchaamba等，2021）。然而，即使在相同谱系或克隆复合群内部，菌株间的变异仍然显著存在。以往的基因组学研究将低温生长和应激相关表型与谱系、克隆背景及特定遗传决定因素联系起来（Hingston等，2017；Myintzaw等，2023），但群体结构、附加基因组组成和核心基因组序列变异对低温生长定量差异的相对贡献仍未完全明确。
另一挑战在于，L. monocytogenes的克隆种群结构可能导致全基因组分析中出现虚假的基因型-表型关联。基于基因有无或等位基因频率的标准关联检验未考虑系统发育亲缘关系，因此可能识别出主要反映共同祖先而非表型相关变异的关联。treeWAS等系统发育意识方法（Collins & Didelot，2018），通过建模系统发育条件下关联的预期分布，能够有效减少这种混杂效应，非常适合在克隆性细菌群体中优先识别基因型-表型关联。
本研究基于先前建立的定量低温生长数据集，该数据集包含118株与食品相关的L. monocytogenes分离株，其在4°C和7°C下的最大比生长速率已被测定（Cheng等，2025）。在本研究扩展了先前以表型为中心的分析，开展多层级的基因组学研究，探讨菌株特异性冷藏生长的遗传基础。分析框架整合了谱系和克隆复合群水平的生长表型比较、已知耐冷基因保守性评估、泛基因组基因含量关联分析（结合系统发育意识验证）以及基于treeWAS的核心基因组SNP关联分析。该方法旨在评估群体结构、附加基因含量和序列水平变异对菌株间低温生长能力差异的贡献，并超越保守的耐冷基因库，为未来的功能表征优先筛选候选基因座。
章节摘要
L. monocytogenes分离株与生长速率测定
150株Listeria monocytogenes分离株在4°C和7°C下的生长速率数据来源于我们先前发表的研究（Cheng等，2025）。对每个菌株在每个温度下，生成了三个重复的生长曲线，并使用五种模型进行拟合：Baranyi-Roberts、改进的Gompertz、样条（Spline）、简易线性（EasyLinear）和三线性（Trilinear）模型。取三个重复所得到的μmax值的平均值。样条模型因其变异性较大而被排除，采用其他模型的
低温生长速率的群体水平变异
在本研究纳入的118株与食品相关的L. monocytogenes分离株中，53株属于谱系I，65株属于谱系II。共鉴定出30个不同的序列型和27个克隆复合群，其中7株无法被分配至PubMLST数据库中已认可的克隆复合群，在分析中记录为"未分配克隆复合群（unassigned CC）"。保留12个包含三株或以上分离株的克隆复合群用于正式的组间比较，合计代表98株
讨论
本研究在群体、附加基因组和核心SNP水平分析了与食品相关的L. monocytogenes的低温生长变异。谱系和克隆复合群解释了部分表型背景变异，但未能完全解释菌株间的生长速率差异。50个已报道的耐冷基因在分离株集合中具有保守性，使研究关注点从基因的有无转向附加基因模式和核心基因组序列变异。最强的
结论
与食品相关的L. monocytogenes分离株间的低温生长变异受群体结构影响，但谱系和克隆复合群未能完全解释菌株水平上的差异。已知耐冷基因在分离株集合中具有保守性，使主要信号从基因的有无转向附加基因模式和核心基因组序列变异。最显著的关联在7°C下被检测到，其中treeWAS支持yfmF及一个同义
CRediT作者贡献声明
Yue Cheng：撰写——原稿撰写、可视化、软件、方法学、调查、形式化分析、概念化。Peter Myintzaw：撰写——审阅与编辑、资源、方法学。Jiahao Ren：撰写——审阅与编辑。Muhammad Adil：撰写——审阅与编辑。Yifang Cao：撰写——审阅与编辑。Yiting Fan：撰写——审阅与编辑。Xinglong Xiao：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取、概念化。
未引用参考文献
NicAogáin和O'Byrne，2016。
数据可用性声明
本研究未产生新的实验数据。本研究分析了先前生成的基因组和生长速率数据集。基因组序列可通过NCBI BioProject登录号PRJNA699172、PRJNA714047和PRJNA698557获取，本分析中使用的菌株元数据见补充表S1。
资助来源
本研究获得华南理工大学食品加工团队新疆项目、中央高校基础研究基金（2025ZYGXZR087）以及广东省自然科学基金（编号：2026A1515011417）的资助。
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
Yue Cheng | Peter Myintzaw | Muhammad Adil | Jiahao Ren | Yiting Fan | Yifang Cao | Xinglong Xiao
