《Food Bioscience》：Genome-resolved prioritization of probiotic–prebiotic pairs for synbiotic food development
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摘要为特定的益生菌菌株选择益生元仍然具有挑战性，因为糖苷水解酶（GH）家族的注释并不能始终准确地反映底物的特异性利用情况。我们将一个基于基因组的透明优先级评估流程从8个参考基因组扩展到涵盖8个细菌物种的48个开发基因组，并与6种与食品相关的益生元（共288种组合）进行了交叉验证，
摘要
为特定的益生菌菌株选择益生元仍然具有挑战性，因为糖苷水解酶（GH）家族的注释并不能始终准确地反映底物的特异性利用情况。我们将一个基于基因组的透明优先级评估流程从8个参考基因组扩展到涵盖8个细菌物种的48个开发基因组，并与6种与食品相关的益生元（共288种组合）进行了交叉验证，同时在9个经过序列筛选的外部基因组中评估了其转移性（共54种组合）。统一的Bakta和dbCAN注释支持了碳水化合物酶（CAZyme）、碳水化合物基因簇（CGC）、底物标签以及转运蛋白/调控机制的证据。所提出的“预测益生菌-益生元兼容性指数”（PPCI；0–100）综合考虑了底物特异性（40分）、候选GH标志物（30分）、CGC一致性（15分）和基因簇背景（15分）。开发基因组的平均得分为43.40分，其中97组证据支持度较低，136组为有限，22组为中等，33组为高。外部基因组的平均得分为38.89分，分别对应24组、20组、6组和4组。外部基因组与开发基因组的平均得分差为-4.51分（基因组聚类自助法区间：-14.55至5.10）。8个Lactiplantibacillus plantarum基因组在菊粉和棉子糖的得分上表现出显著差异。不同的权重设置改变了288个开发基因组中的225个得分；保守的底物映射决策可能导致高达35分的差异。与单一家族的基因筛选方法不同，该框架在一个可审核的基因组优先级评估系统中保留了基因位点一致性的证据、注释的模糊性以及经过序列筛选的外部评估结果。PPCI支持水平并不是经过校准的概率值，也不是生长、发酵或底物消耗的实验验证指标。
引言
益生菌和益生元越来越多地被应用于功能性食品、发酵产品及膳食配方中，但只有当选定的微生物和底物能够形成合理的配对时，合生产品才具有生物学上的协同作用。当前的共识强调需要对益生菌菌株进行详细的表征，并将通过宿主微生物选择性利用的微生物和底物定义为合生产品（Binda等人，2020；Swanson等人，2020）。这一菌株层面的要求对于碳水化合物代谢尤为重要，因为同一物种内的不同微生物在转运系统、糖苷水解酶谱系、调控位点和碳水化合物基因簇（CGC）方面可能存在显著差异（Wardman等人，2022）。在食品开发过程中，这些差异将决定某个候选组合是否值得进一步进行发酵、稳定性、感官评价或宿主反应测试。
常见的与食品相关的益生元属于不同的化学类别。菊粉和低聚果糖（FOS）属于果聚糖类，其利用通常依赖于GH32家族的酶；半乳寡糖（GOS）需要GH2和GH42家族的beta-半乳糖苷酶；棉子糖和斯塔奇糖属于棉子糖类寡糖（RFOs），其转化往往涉及GH36和GH27等alpha-半乳糖苷酶；而乳果糖是一种半乳糖-果糖二糖，其代谢途径可能与更广泛的糖苷代谢途径重叠（Karakan等人，2021；Ren等人，2023；Deehan等人，2024）。这些成分已在功能性食品和合生产品研究中发挥了重要作用，包括乳制品、肉类和其他食品基料（de Campos等人，2022；de Carvalho Correa等人，2024）。然而，它们的营养价值并不保证所有益生菌菌株都能对其进行有效利用。
基于基因组的分析为减少实验搜索范围提供了一种实用方法。CAZy将具有碳水化合物代谢活性的酶分类到不同的家族中，而dbCAN则整合了蛋白质结构预测（profile-HMM）、序列相似性、亚家族信息以及基因组背景证据（Drula等人，2022；Zheng等人，2023）。然而，仅仅家族的存在并不意味着底物的实际利用能力。广泛的GH家族可能包含多种底物特异性，而有效的碳水化合物利用还需要转运蛋白、调控机制和基因位点的协同作用（Grondin等人，2020；Wardman等人，2022）。实验性的基因-表型研究展示了这一点：嗜酸乳杆菌NCFM需要特定的转运和代谢功能来处理GOS和alpha-半乳糖苷，而尽管亲缘关系密切，Lactiplantibacillus plantarum菌株在FOS、GOS和菊粉的代谢特性上仍可能存在显著差异（Andersen等人，2011, 2012；Fuhren等人，2020a, 2020b；Pan等人，2023）。
将基因组层面的代谢途径与实际利用情况进行关联的研究强调了实验验证的转运和水解功能的重要性。例如，对乳杆菌和双歧杆菌的研究发现，它们的半乳寡糖吸收、果聚糖代谢和棉子糖代谢途径与特定的菌株特性相关（Andersen等人，2011, 2012；Fuhren等人，2020a, 2020b；Pan等人，2023；Zhu等人，2022）。之前的研究将基因组层面的碳水化合物注释与直接的益生元利用评估相结合（Sam-on等人，2023），而仅基于基因组的评分仍然依赖于参考注释的准确性和完整性。另一个挑战是在不同权重设置下区分数值稳定性与基因组间的转移能力。
因此，本研究分析了8个物种的48个开发基因组，并保留了12个基因组用于序列独立性评估，其中9个基因组适合进行严格的基因组学评价。6种固定的益生元产生了288种开发组合和54种外部组合。研究目标包括确定CAZyme、底物及CGC证据的一致性；量化L. plantarum菌株内的异质性；在具体假设下评估PPCI的稳定性；以及测试未经重新校准的评分方法是否适用于经过序列筛选的外部基因组。表型利用、发酵性能和健康功效不在本研究范围内。
章节片段
基因组选择、冷冻队列和益生元组合
共有60个公开可用的NCBI基因组版本被分配到预先定义的队列中：48个开发基因组和12个保留的对照组。开发基因组集包括来自7个物种的多个基因组组装，以及1个Bifidobacterium animalis基因组；没有进行物种层面的采样。所有6个预定义的目标都对每个开发基因组进行了评估：菊粉（PB01）、由1-kestose代表的低聚果糖（PB02）、由...
队列组成和统一的基因组证据
开发队列包含来自8个细菌物种的48个基因组组装，其中Bifidobacterium longum和Ligilactobacillus salivarius各贡献了9个基因组，L. plantarum贡献了8个基因组。由于包含1个B. animalis基因组，其结果在物种内部的解释受到限制（表1；图1）。9个经过序列筛选的外部基因组涵盖了开发队列中涉及的5个物种：B. breve、B. longum、L. salivarius和L. reuteri各2个基因组，以及1个L. plantarum基因组。
讨论
这项扩展分析不仅改变了基因组优先级评估的范围，也改变了对其结果的解释方式。通过将开发数据集从8个参考菌株扩展到48个经过验证的基因组，并将相同的规则应用于9个经过序列筛选的对照组，本研究进一步评估了物种内部的变异及其计算结果的可重复性。其主要生物学结论仍然较为具体：酶家族的匹配情况、底物标签的相似性以及基因组...
结论
在48个开发基因组和9个经过序列筛选的外部基因组中，冷冻的基因组证据层次结构为6种益生元提供了342个可重复的PPCI值。8个L. plantarum基因组在菊粉和棉子糖的证据支持得分上存在显著差异。外部队列的平均PPCI得分为38.89，而开发组为43.40；基因组聚类重采样未能消除这种差异，且物种代表性不均导致直接推断受限。
CRediT作者贡献声明
Ali H. D. Janabi：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论设计、概念框架。Mustafa Hasan Burhan Khaledi：撰写 – 初稿撰写、可视化、数据分析、数据管理
未引用的参考文献
de Carvalho Correa和de Oliveira, 2024; Delzenne等人, 2025; Kers和Sacenti, 2022; McKinnon Reish等人, 2024; Ruiz-Aceituno等人, 2020; Yu等人, 2026; Zhu和Zhang, 2022.
伦理声明
不适用。本研究分析了公开可用的微生物基因组数据及已发表的文献，未涉及人类参与者、动物或生物样本的收集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
资金来源
本研究未获得任何来自公共部门、商业机构或非营利组织的专项资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢NCBI、CAZy、dbCAN及相关公共生物信息学资源的维护者，这些资源使得可重复的比较分析成为可能。
Mustafa Hasan Burhan Khaledi|Ali H.D. Janabi
