《Food Bioscience》：Unraveling multi-layered defense mechanisms of
Lactiplantibacillus plantarum in response to short-term malic acid stress through integrated omics
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摘要在果蔬发酵过程以及人体胃肠道中，乳酸菌不可避免地会面临酸胁迫。本研究通过整合转录组学和代谢组学分析，系统研究了适应性进化如何改变L. plantarum LP-1（L1）及其进化后的菌株（L125、L679）在苹果酸胁迫下的应激反应，从而为揭示酸耐受性的分子机制提供了依据。与
摘要
在果蔬发酵过程以及人体胃肠道中，乳酸菌不可避免地会面临酸胁迫。本研究通过整合转录组学和代谢组学分析，系统研究了适应性进化如何改变L. plantarum LP-1（L1）及其进化后的菌株（L125、L679）在苹果酸胁迫下的应激反应，从而为揭示酸耐受性的分子机制提供了依据。与L1相比，进化后菌株中差异表达基因主要集中于转录调控、膜成分、转运系统、信号转导以及核心代谢相关通路。这表明这些进化菌株经历了全面的转录和代谢重编程，并通过提升膜转运能力来维持细胞稳态。L125与L679在上调基因的表达模式上存在显著差异，说明它们在短期苹果酸胁迫下采取了不同的应对策略。参与核糖体蛋白合成的基因在进化菌株中表达下降，尤其是在L679中更为明显，这表明这些菌株可能通过重新分配细胞资源、降低生长相关的能量消耗来适应酸胁迫。此外，进化菌株还通过调整不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例来改变膜脂组成，从而保持膜流动性与刚性之间的适当平衡。总体而言，这些进化菌株展现了涉及转录调控、代谢重编程、膜结构重塑以及资源重新分配的多层次适应性反应，反映了生长与生存之间的复杂权衡。这些发现为理解L. plantarum的酸耐受性提供了新视角，也为筛选和培育酸性发酵食品中的耐酸菌株提供了参考。
引言
乳酸菌是食品工业和益生菌制剂中最重要的功能性微生物之一。它们被广泛用于乳制品、植物基饮料、肉类制品以及功能食品的发酵过程中（Chen等人，2025b；Mejía-Caballero & Marco，2026；Sivamaruthi等人，2025）。然而，无论是在食品发酵系统中还是人体胃肠道内，乳酸菌都经常面临酸胁迫。酸性环境会抑制微生物生长、打破代谢稳态、削弱益生菌功能，最终导致细胞死亡，从而限制其应用前景并影响产品品质（Mbye等人，2020；Wiebe等人，2022）。在食品发酵系统中，乳酸菌所面临的酸胁迫主要来自富含有机酸的发酵底物，如果蔬，这些有机酸可作为常见的胁迫因子。它们能够扩散到细胞质中，解离并释放H+（Sorathiya等人，2025），从而导致细胞内pH值迅速下降，进而影响细胞的生理活动（Abdelhamid & El-Dougdoug，2020）。其中，苹果酸是一种常见于沙棘、苹果和荔枝等植物基原料中的有机酸（Tkacz等人，2020）。因此，苹果酸为研究乳酸菌在酸胁迫下的适应性进化和代谢重塑提供了理想的模型。Lactiplantibacillus plantarum（即L. plantarum）作为乳酸菌的典型代表，能够提升发酵食品的功能性，并具备多种益生菌特性（Yilmaz等人，2022）。该菌已被美国食品药品监督管理局认定为“公认安全”物质（GRAS）（Panel，2022），并在发酵食品生产、动物饲料以及临床医学领域展现出广阔的应用前景（Aljohani等人，2025；Liu等人，2024b；Mejía-Caballero & Marco，2026）。同时，由于其独特的环境适应能力和基因组可塑性，它也成为了研究微生物适应性实验室进化（ALE）的理想菌株（Sandberg等人，2019；Zhang等人，2025）。
适应性实验室进化是一种通过在特定环境压力下对微生物进行长期培养和选择，从而获得具有目标表型的进化菌株的方法，以此引导微生物向期望的性状发展（Mavrommati等人，2022）。He等人（2025）认为，该方法是提升乳酸菌抗逆性的有效策略。虽然这一方法耗时较长，但成本较低且实施简单。与传统基因工程策略相比，适应性实验室进化无需预先确定目标基因或调控网络，同时也能避免基因改造带来的复杂性及安全问题（Zhu等人，2024）。因此，它在工业微生物育种、应力适应机制研究以及益生菌开发等领域具有巨大潜力。近年来，适应性实验室进化已被成功应用于提升微生物的多种抗性，包括耐寒性、耐热性、耐酸性、耐胆盐性、耐丁醇性以及耐氧化性（Azambuja等人，2024；Han等人，2025；Rychel等人，2025；Xie等人，2025；Zhang等人，2024；Zhu等人，2025）。此外，它还为研究微生物在长期环境胁迫下的适应性进化机制提供了重要模型。通过整合组学技术，适应性实验室进化能够进一步揭示关键的调控通路和代谢重编程过程，从而加深我们对微生物应激反应及进化适应策略的理解。
尽管已有大量研究探讨了L. plantarum的适应性进化及其对酸胁迫的反应，但以往的研究大多集中在亲本菌株与经过适应性实验室进化得到的单一代进化菌株在酸性条件下的比较，旨在通过转录组学分析揭示其酸耐受机制（Xie等人，2025；Zhu等人，2024）。然而，不同进化代数的进化菌株之间，以及亲本菌株与进化菌株之间在酸胁迫反应上的差异背后所涉及的转录和代谢调控策略仍不明确。在适应性实验室进化的初期，亲本菌株L. plantarum LP-1（L1）在苹果酸胁迫作用下经历了适应性实验室进化，由此产生了不同代数的进化菌株（L125、L679）。在相同的酸处理条件下，不同进化阶段的进化菌株表现出显著的酸耐受性差异。为探究长期适应性进化如何改变酸胁迫反应，我们以这些菌株为模型系统，系统评估了亲本菌株及进化菌株在不同苹果酸浓度下的酸耐受性。随后，我们利用扫描电子显微镜检测了酸胁迫引起的细胞损伤。并通过整合转录组学和代谢组学分析，系统阐述了适应性进化如何改变L1及其进化菌株在苹果酸胁迫下的应激反应，从而为揭示酸适应的分子机制提供了依据。我们的研究为了解乳酸菌的酸抗性机制提供了多层次、全方位的见解，也有助于开发和优化适用于工业应用的耐酸菌株。
章节节选
菌株、培养条件及苹果酸胁迫处理
亲本菌株L. plantarum LP-1（L1）是从宁夏当地自然发酵的江水中分离并鉴定的。在之前的研究中，L1在L-苹果酸胁迫条件下经历了适应性实验室进化。进化实验最初使用1.25%（w/v）的L-苹果酸。经过125天的适应性进化，随着L-苹果酸浓度的逐步增加，当浓度达到1.6%（w/v）时，L1的OD600nm生长值趋于稳定（见图S1）。每24小时为一个
亲本菌株与进化菌株的酸抗性评估
我们在不同pH条件下评估了亲本菌株L1及其进化菌株L125和L679的生长表现。在pH 6.5和pH 5条件下，各菌株的生长趋势较为相似，但在pH 4条件下，它们的生长模式出现了显著差异（见图1A）。L125和L679的生物量显著高于L1（p < 0.05），分别约为L1的1.2倍和1.5倍。同样，在
结论
本研究揭示了通过适应性实验室进化提高Lactiplantibacillus plantarum苹果酸耐受性的分子机制。与亲本菌株L1相比，进化后的菌株对苹果酸胁迫表现出更为复杂且高效的适应性反应。在酸胁迫条件下，L679中差异表达基因的上调幅度高于L125，这说明长期适应性进化逐渐改变了菌株的应激响应转录
CRediT作者贡献说明
Xuli He：研究工作。Yaqi Liu：正式分析。Yanhui Chen：数据整理。Chunyan Hu：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、正式分析、数据整理、概念构建。Ning Ju：写作——审稿与编辑、资金获取。Shuai Guo：写作——审稿与编辑、资金获取。Chaokun Wei：方法设计
未引用参考文献
Goberman和Rami，2025年。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了宁夏回族自治区自然科学基金（项目编号2026AAC020008）以及宁夏回族自治区自然科学基金（项目编号2025AAC030221）的支持。
Chunyan Hu|Yanhui Chen|Yaqi Liu|Xuli He|Chaokun Wei|Shuai Guo|Ning Ju
中国宁夏银川市宁夏大学食品科学与工程学院，邮编750021
