植物乳植杆菌中以CcpA为核心的碳源调控与代谢重编程：从底物优先选择到发酵适应

《Food Bioscience》：CcpA-Centered Carbon Source Regulation and Metabolic Reprogramming in Lactiplantibacillus plantarum: From Substrate Prioritization to Fermentation Adaptation

　　**摘要**植物乳植杆菌栖息于多样的生态与发酵生境，其中的碳源不断变化。高效适应此类营养波动依赖于底物利用、中心碳代谢和细胞生理的协同调控。分解代谢控制蛋白A（CcpA）是革兰氏阳性菌中碳分解代谢抑制的主转录调控因子，它整合代谢信号来协调这些过程。本文系统总结了目前对植物乳植杆菌中CcpA介导的碳调节的理解，重点关注底物优先级选择、代谢重编程、发酵特征和生理适应之间的机制联系。CcpA通过调节糖转运和分解代谢机器建立层次化的碳利用，其效应进一步受底物特异性转运蛋白、局部调控因子和菌株特异性代谢特性的微调。除了底物摄取之外，CcpA重塑了中心碳代谢；糖酵解通量和丙酮酸分配的改变将代谢物重新分配至乳酸、乙酸和其他发酵产物。多组学证据表明，碳源变化触发了能量稳态、氧化还原平衡、膜代谢和生物合成的全系统重塑，这进一步影响生长、胁迫耐受性、胞外多糖合成和生物膜形成。我们根据基因敲除实验、分解代谢响应元件（cre）位点预测、结合实验和功能验证，区分了CcpA直接依赖性转录和二级代谢效应。关于CcpA调控层次、直接调控子边界以及对混合底物环境的响应仍存在若干未解决的问题。未来整合精确遗传学、多组学、通量分析和食品相关共培养模型的研究将阐明因果网络，促进发酵的理性优化和定向菌株工程。**引言**在自然栖息地和工业发酵系统中，碳源在类型、浓度和可获得性方面持续变化，受底物组成、加工条件和微生物相互作用的影响。主导碳源的时序性更替塑造了微生物营养获取策略，并调节发酵动态以及群落竞争结果（Lin et al., 2025; Paramithiotis, 2025）。对于乳酸菌而言，它们依赖快速营养适应来维持生态竞争力和功能性表现，对碳源的响应性构成了生长控制、代谢重新分配和环境适应的基本支撑（Cui et al., 2021）。植物乳植杆菌是一种模式乳酸菌，广泛分布于植物来源的发酵基质、发酵食品及其他复杂生态生境中。它展现出强大的碳水化合物利用能力和显著的代谢可塑性。这些特性使其能够通过快速酸化、抑制腐败微生物、改善感官特性和延长产品保质期来调节发酵过程，并在某些应用中表现出与益生菌相关的功能（Zhang et al., 2025）。此外，植物乳植杆菌编码了广泛的碳水化合物代谢遗传库，并表现出明显的菌株依赖性代谢变异。这些特征有助于其适应异质性碳环境并快速响应碳供应的变化（Iarusso et al., 2025; Li & Bi, 2025）。因此，植物乳植杆菌的碳源响应性不仅仅是简单的底物选择；它是一个关键的调控枢纽，连接了生长行为、代谢输出和生态适应性。在碳源共存且动态变化的环境中，微生物必须选择性地利用不同底物以维持能量获取、前体生物合成和细胞生长之间的平衡协调。碳分解代谢抑制（CCR）是一种核心的全局调控机制，使细菌能够在复杂的碳源环境中茁壮成长。其主要功能是驱动优先消耗易于同化的、代谢效率高的或能量有利的碳底物，同时抑制非偏好碳源的转运和分解代谢途径。这种响应减少了多余的代谢成本，提高了在可变营养条件下的适应表现（Aung-Hilbrich et al., 2002; Deutscher et al., 2006）。在包括乳酸菌在内的革兰氏阳性发酵微生物中，分解代谢控制蛋白A（CcpA）作为CCR网络中的主转录调控因子发挥作用。它整合了多种输入信号：磷酸转移酶系统（PTS）信号、组氨酸磷载体蛋白（HPr）的磷酸化状态、细胞内糖代谢物水平，以及位于靶基因调控区域的分解代谢响应元件（cre）。通过信号整合，CcpA协调了多种生理过程，包括糖转运、糖酵解、丙酮酸代谢、发酵终产物生成及相关次级代谢途径（Aung-Hilbrich et al., 2002）。因此，CcpA介导的碳源响应性超越了单一糖代谢基因的简单开-关切换。相反，它作为一个关键的分子枢纽运作，使细菌能够根据外部营养可获得性和内部代谢状态来重塑碳通量分配、能量供应和生理输出。对于发酵微生物而言，鉴于碳源消耗顺序、酸化动力学、代谢物谱、微生物生长模式和胁迫耐受性均可通过CCR网络进行系统调节，该调控机制对食品发酵具有重要的实际应用意义（Yanqing et al., 2018; Zotta et al., 2012）。近年来，对植物乳植杆菌中CcpA介导的碳源响应的研究已从经典的葡萄糖抑制表型扩展至多个生物学层面：不同碳底物上的层级糖利用、寡糖代谢、中心碳代谢的重新配置以及环境适应调控回路。功能性的ccpA基因对于正常的碳分解代谢抑制（CCR）活性是必不可少的。使用果聚糖、半乳寡糖和葡萄糖进行的转录组学和生理学实验进一步表明，CcpA调控网络不仅影响糖转运和降解基因簇，还影响多种功能模块，包括糖酵解、丙酮酸代谢、有机酸合成、脂肪酸代谢和应激响应途径（Chen et al., 2019; Chen et al., 2018b）。在具有复杂底物组成的工业发酵环境中，随着偏好碳源的逐步消耗、替代碳底物的持续释放以及微生物群落间的相互作用，植物乳植杆菌中的CcpA网络可以直接塑造菌株竞争力、发酵稳健性和功能性代谢输出。然而，现有工作主要集中于单一碳源、离散基因簇或单菌株实验背景。这一局限性阻碍了对CcpA如何协调植物乳植杆菌中碳源感知、CCR实施、中心代谢分配和发酵适应性的全面系统水平理解。在此背景下，本文综述了植物乳植杆菌中CcpA驱动的碳源响应，突出了碳利用、代谢重塑和发酵相关适应性之间的相互作用，旨在推进对植物乳植杆菌营养适应及其在食品发酵背景中可控功能性表现的机制理解（图1）。**章节摘要***碳源利用顺序、糖转运调控和底物特异性代谢*CcpA作为植物乳植杆菌中调控碳分解代谢抑制的核心全局调控因子发挥作用。其主要作用是在偏好碳底物存在时协调不同糖转运系统和分解代谢模块的表达。研究已确认功能性ccpA基因对于建立植物乳植杆菌的碳分解代谢抑制是必不可少的；ccpA的基因失活会改变细菌在不同条件下的生长和代谢特征。*CcpA介导的碳源响应的表型表达与适应意义*对于植物乳植杆菌，碳底物不仅是能量代谢和生物合成的基本构建模块，还是塑造生态适应性的关键环境信号。该物种定殖于多种生境，包括植物基质、发酵食品、肉制品和哺乳动物胃肠道。其广泛分布与其代谢可塑性和应激适应能力密切相关（Fidanza et al., 2021）。在基础层面……*总结与展望*CcpA作为植物乳植杆菌碳分解代谢抑制网络中的核心全局转录因子发挥作用。它对于感知胞外营养信号、协调胞内代谢和维持细菌对变化环境的适应性至关重要。CcpA整合了磷酸转移酶系统、HPr蛋白磷酸化状态以及局部转录调控模块的信号。它结合分解代谢响应（cre）元件以……*发表同意*不适用。*CRediT作者贡献声明***王宇奇：** 撰写 – 原稿、数据整理、概念化。**徐永辉：** 撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、数据整理、概念化。**杨大乔：** 撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、数据整理。**余佼佼：** 撰写 – 原稿、监督、经费获取、数据整理、概念化。**韩宝珍：** 撰写 – 原稿、数据整理、概念化。**董宏兵：** 撰写 – 原稿、数据整理。*未引用参考文献*Elvina, 2023; Fanqiang M et al., 2023; Gao et al., 2025; Li et al., 2025; Rostampour M and Masoumi Jahandizi, 2024; Vastano V et al., 2014; Xu et al., 2022; Yin et al., 2026; Yu J et al., 2025.*数据可用性*本研究期间未生成或分析数据集。*伦理审批与参与同意*不适用。*利益冲突声明*作者声明无利益冲突。*资助*本研究工作由国家自然科学基金青年科学基金项目（项目编号：32302039）提供资金支持。*利益冲突声明*? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。徐永辉 | 王宇奇 | 董宏兵 | 韩宝珍 | 余佼佼 | 杨大乔 | 汤晓娟 | 刘永国 | 林湘娜