乳酸菌在发酵食品中的功能基因模块：环境调控、验证与合成群落设计

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Functional gene modules of lactic acid bacteria in fermented foods: Environmental regulation, validation, and synthetic community design

　　

• •
  LAB功能被重新定义为环境响应型基因模块。
• •
  食物基质选择具有品质、安全和功能性的模块。
• •
  环境信号在发酵各阶段调控LAB模块。
• •
  证据层级体系将基因预测与设计可用的功能联系起来。
• •
  经验证的模块指导合成菌群设计和安全性设计。

引言

乳酸菌（LAB）是发酵食品中的核心生物催化剂，它们将原始底物转化为具有独特安全性、感官、营养和功能特性的产物（de Souza et al., 2023; Voidarou et al., 2020）。它们的作用远不止酸化。LAB还参与碳水化合物转化、蛋白质分解、风味形成、质地发育以及细菌素、维生素、γ-氨基丁酸（GABA）和胞外多糖（EPS）等生物活性化合物的生物合成（Alvarez-Sieiro et al., 2016; Cui et al., 2020; Lynch et al., 2018; Wang et al., 2021）。随着发酵食品从自发或经验式生产向精准发酵发展，我们不仅需要理解存在哪些LAB，还需了解哪些功能基因决定了它们在特定食物基质中的表现。

LAB的功能能力并非简单地由物种或菌株名称定义，而是由生态位、泛基因组结构和代谢特化所塑造的功能模块化的基因组合决定（Mejía-Caballero & Marco, 2025; Pasolli et al., 2020）。相反，它是由控制底物利用、应激适应、抗菌活性和代谢物产生的模块化基因集合所编码的。碳利用基因决定了LAB利用乳糖、麦芽糖、植物来源糖类或其他基质特异性碳水化合物的能力（Lu et al., 2018; Mahr et al., 2000; Zhao et al., 2023）。蛋白水解系统支持蛋白质丰富发酵中的肽类和氨基酸释放（Griffiths & Tellez, 2013; Kieliszek et al., 2021; Savijoki et al., 2006），而胞外多糖、GABA产生和细菌素生物合成基因则影响质地、健康相关特性及微生物竞争（Alvarez-Sieiro et al., 2016; Langa et al., 2024; Linares et al., 2016; Lynch et al., 2018）。这些基因及基因系统提供了一种比单纯分类学存在更具机制性的语言来解释LAB功能，因为同一属在不同发酵类型（乳制品、肉类、蔬菜和谷物发酵）中的表现可能不同。

生物模块化长期以来被认为是细胞组织的中间层次，但"基因模块"这一术语已被以不同的方式操作化定义，包括共调控基因集、共同实现某一生物学过程的功能角色、属于同一操纵子或通路的基因，以及具有共享条件特异性适应性效应的基因组（Bar-Joseph et al., 2003; Overbeek et al., 2005; Segal et al., 2003）。最近的益生菌基因组学研究利用基因组邻近性、功能一致性、进化共发生和调控联系进一步界定了基因模块（Karlsen et al., 2023）。在这些研究基础之上，我们赋予"功能基因模块"更具体、面向发酵的定义：菌株内两个或更多基因组成的集合，其产物执行互补的催化、转运、调控或辅助功能，共同贡献于特定环境条件下定义的生化或生理学输出。我们将这一菌株内单元与种间代谢回路区分开来，后者是指不同生物编码的模块通过代谢物交换或环境改造相互连接的系统。据此，我们将生物学功能划分为五个层次：基因、菌株内功能基因模块、菌株功能表型、种间代谢回路和群落表型（表1）。这一术语体系定义了本综述全文使用的分析单元，避免了将基因组潜能与分布式群落功能混淆。

基因组测序、比较基因组学、转录组学及其他系统生物学方法极大地丰富了LAB功能基因的目录（Pasolli et al., 2020; Peng et al., 2023）。然而，大部分这些知识仍以基因或菌株为中心，许多功能注释仍来源于仅能部分再现真实发酵生态系统的实验室条件（Caggia et al., 2015; Tarrah et al., 2019）。发酵食品是由底物、营养、pH梯度、盐、氧气暴露、微生物相互作用和加工条件组成的动态环境。这些因素可以调控模块活性，并有利于携带特定功能基因组的菌株。例如，酸应激可激活*Lactiplantibacillus plantarum*中的质子泵F1F0-ATPase基因，氧气波动可影响*Lacticaseibacillus casei*中的谷胱甘肽合成等氧化还原相关通路，盐应激可招募钾稳态和相容性溶质转运模块，而碳源可用性可通过CcpA等调节因子进行协调（Duary et al., 2010; Mahr et al., 2000; Zhang & Li, 2013）。这些例子表明，功能基因应结合控制其表达和适应价值的环境信号来理解。

因此，本综述认为，发酵食品中的LAB功能基因不应仅仅被视为静态的基因组注释，而应被理解为连接食物基质组成、微生物生态学、基因调控和产品品质的环境响应型功能模块。为避免将基因组潜能误认为已证实的功能，我们采用累进式五级证据层级体系评估功能基因模块。第一级通过基因注释、比较基因组学或代谢重建建立基因组可能性。第二级在相关条件下证明转录、蛋白、酶或代谢物水平的响应性活性。第三级通过直接扰动目标模块并测量预测表型来建立因果关系。第四级确认因果效应在真实食物基质中持续存在，而第五级则展示在微生物伙伴存在下、跨独立组装、批次或连续传代的可重复性和稳健性。以这一证据层级体系为组织原则，我们首先综合了不同发酵食品基质如何为LAB创造独特的选择环境并富集特定功能模块。然后我们考察环境因素（包括酸应激、盐应激、碳源可用性、氧气暴露和微生物相互作用）如何在机制和进化层面调控这些模块。最后，我们讨论了候选模块如何被筛选、验证并应用于菌株选择、合成菌群设计和可控发酵系统。通过围绕基因-环境-功能关系组织文献，本综述旨在提供一个将LAB基因组潜能与发酵食品的品质、安全性和功能性属性联系起来的框架。发酵食品基质、环境驱动因素、LAB功能模块和产品表型之间的代表性关系总结于表2。将食物基质、环境响应型功能模块、基于证据的验证和可控发酵联系起来的整体框架总结于图1。

章节摘要

发酵食品中基质依赖性的LAB功能基因模块选择

发酵食品为LAB提供了基质特异性的生态过滤器，有利于携带适合现有资源和应激条件特征的LAB菌株。乳制品基质以乳糖和酪蛋白为主，有利于具有乳糖代谢、蛋白水解、酸化和质地形成模块的LAB菌株（Apostolakos et al., 2023）。肉类基质兼具高蛋白含量和盐及氧化应激，从而选择与应激耐受性、抗菌活性和硝酸盐相关的基因

LAB功能基因的环境调控

环境对LAB的影响应区分为生理调控、生态选择和进化适应。生理调控是指菌株在环境条件响应下改变基因表达或代谢活性（Papadimitriou et al., 2016）。生态选择是指在不同环境条件下通过生长或存活差异改变菌株相对丰度，可能作用于单次发酵或跨重复

LAB功能基因模块的筛选与验证

基因组测序极大地丰富了LAB可能参与酸化、应激抗性、风味形成、抗菌活性和营养转化的基因目录。然而，仅凭注释无法确定基因在发酵条件下是否活跃，是否控制其被赋予的表型，或其效果在复杂食品微生物组中是否持续存在。因此，功能基因模块应被视为可实验验证的单元，即

LAB合成微生物群落的功能基因模块

合成微生物群落（SynComs）为从描述性微生物组分析迈向可控发酵提供了一条可行的途径。尽管许多食品SynComs还包含酵母、醋酸菌或其他微生物，本综述聚焦于LAB基因模块如何在这些多物种群落中运作及其受到的影响。其价值不仅仅来源于将多个菌株组合在一起。一个有用的SynCom必须为其成员分配互补功能，维持这些

结论

本综述将LAB在发酵食品中的表现重新定义为环境响应型功能基因模块的结果，而非物种或菌株的固有属性。乳制品、肉类、蔬菜和谷物基质在可用碳水化合物和氮源、缓冲能力、盐、氧气暴露和群落结构方面各不相同。这些条件可改变携带特定功能模块菌株的相对丰度，也可在发酵过程中调控菌株内模块活性

作者贡献声明

Zeyu Shao：撰写初稿、方法论；Dixuan Cai：撰写、审阅与编辑；Xiuqin Chen：撰写、审阅与编辑、调查；Tahirou Sogore：撰写、审阅与编辑；Tianheng Mu：撰写、审阅与编辑；Tian Ding：监督、资金获取；Zhihua Li：撰写、审阅与编辑、验证、概念化；Shanshan Shen：撰写、审阅与编辑、验证、概念化。

资金支持

本研究由青年基金资助，来自河南省自然科学基金，项目编号202300421685。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

Zeyu Shao|Dixuan Cai|Xiuqin Chen|Tahirou Sogore|Tianheng Mu|Tian Ding|Zhihua Li|Shanshan Shen