综述：饭豆（Vigna umbellata）内生菌：抗逆性益生菌的新型储备库

《Advanced Gut & Microbiome Research》：Vigna umbellata (Rice Bean) Endophytes: Novel Reservoirs for Stress-Resilient Probiotics

　　

当前营养科学研究聚焦于开发富含生物活性成分的综合性功能食品基质，以应对慢性疾病挑战。本综述探讨了饭豆这一未被充分利用的气候适应性豆科作物作为生物活性成分及下一代益生菌（NGPs）储备库的潜力。饭豆富含抗性淀粉与不可消化寡糖，可作为可持续的非乳源共生递送载体。研究核心聚焦种子内生菌及其多维度耐受机制，该类微生物可抵御多种极端环境压力。此外，本文阐述了发酵过程的“生物精炼”作用，该过程通过同步的减除与添加机制，不仅可去除植酸等抗营养因子，还能富集食品基质的功能成分。研究人员整合了宏基因组表征与基因组图谱技术，为饭豆在全球功能食品领域的价值提升提供了理论框架。

1. 1.
   Introduction
   当代生物医学研究重点关注人类膳食、胃肠道微生物组与全球公共卫生之间的互作关系。20世纪主导的还原论营养学将食物拆解为单一营养素进行分析，但因现代慢性疾病的流行，该方法已逐渐被功能营养学取代。现代营养与食品科学优先发展富含生物活性微生物制剂的食品基质，这类基质不仅能提供营养，还可满足全球对免疫调节及代谢调控类食品的需求。豆科作物因富含营养素与生物活性成分，成为优质的功能基质，其中菜豆属（Vigna）与Phaseolus属的多个物种已因其多样的植物化学特性及健康效益被深入表征。然而，饭豆虽具备丰富的药理活性与营养特征，仍属于未被充分利用的作物，常被称为“被遗忘的黄金”，其气候适应性强，可作为人类食物、牲畜饲料及绿肥的多用途作物。现有文献已证实饭豆富含抗性淀粉与不可消化寡糖，且其根际细菌具有固氮功能，但相关研究尚未将其种子识别为益生元或有益益生菌的载体。此外，与根及根际微生物组不同，这种抗逆豆科作物的种子内生微生物组作为功能性微生物储备库的研究仍处于空白。传统乳源及动物源益生菌菌株在植物基质中存活率低、代谢适应性差且货架期短，针对这一研究缺口，本综述评估了饭豆种子内生菌作为下一代益生菌（NGPs）新型储备库的潜力。研究突破了传统营养分析的局限，探讨了植物非生物胁迫耐受机制与人类胃肠道胁迫耐受机制之间的生物学趋同性，重点关注内生菌在气候适应性宿主豆科作物内为应对干燥、温度波动及渗透压力而进化出的生存机制，这些机制使其预先适应了胃肠道内的恶劣环境。
2. 2.
   The Global Functional Food Landscape
   功能食品概念于1984年在日本首次提出，旨在解决老年人群的健康问题，初期研究聚焦于利用益生菌与寡糖改善胃肠道健康。现代功能食品源于天然原料，作为日常膳食的一部分，其健康增益效应已得到科学验证。近年来，纳米封装、冷等离子体及精准发酵等技术被应用于提升生物活性成分（包括益生元与后生元）的稳定性与生物可及性。后生元被定义为活菌分泌或细菌裂解后释放的生物活性可溶性因子（产物或代谢副产物），包括短链脂肪酸（SCFAs）、酶、肽及磷壁酸等，其可提供与益生菌相当的益处，且降低了活菌给药（尤其是针对免疫受损人群）的安全风险。此外，相关研究强调了营养保健品在维持肠道完整性中的作用，这类物质与功能食品可支持肠道吸收营养素、清除毒性产物，协助机体清除病原体，并应对现代生活方式相关的健康问题（如炎症与不良膳食习惯）。全球范围内不同类别的功能食品及其健康效益已形成系统分类，为后续研究提供了基础参照。
3. 3.
   The Human Gastrointestinal Microbiome: Structure and Function
   人类胃肠道（GIT）是一个高度多样化的生态系统，栖息着数以亿计的微生物，在人类健康中发挥关键作用。它不仅是消化器官，更是包含细菌、古菌、病毒、真菌及原生动物的微生物群落的栖息场所。
4. 4.
   Composition and Homeostasis
   人类肠道核心有益菌群由乳杆菌属（Lactobacillus）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、肠杆菌属（Enterobacteria）及乳酸球菌属组成。健康人肠道中厚壁菌门（Firmicutes）与拟杆菌门（Bacteroidetes）占细菌生物量的90%以上：厚壁菌门包含乳杆菌属、梭菌属（Clostridium）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）等，拟杆菌门包含拟杆菌属（Bacteroides）与普雷沃氏菌属（Prevotella）等；此外还存在放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）及梭杆菌门（Fusobacteria）等亚优势菌群。肠道微生物群与宿主免疫系统通过稳态维持稳定的共生关系：免疫系统筛选有益微生物，而微生物代谢物（如短链脂肪酸）可调节免疫反应、增强肠道屏障完整性并预防炎症。其中丁酸是结肠细胞的主要能量来源，还可作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi），通过调控基因表达抑制炎症与癌变。有益微生物通过竞争定植空间与营养资源，阻止艰难梭菌（Clostridium difficile）或沙门氏菌属（Salmonella spp.）等病原菌定植。肠道微生物群与免疫细胞的双向对话可训练先天与适应性免疫系统，诱导肠道相关淋巴组织（GALT）产生耐受，预防菌群失调。
5. 5.
   Probiotics: Mechanisms, Taxonomy, and Next-Generation Candidates
   为对抗菌群失调，益生菌给药已成为标准干预手段。根据联合国粮农组织/世界卫生组织（FAO/WHO）的定义，益生菌是当摄入足够数量时对宿主健康有益的活性微生物。
   5.1. Mechanisms of Action of Probiotics
   益生菌主要通过三种机制发挥作用：肠腔作用、屏障增强与免疫调节。它们可产生有机酸、细菌素等抗菌物质，直接抑制机会性病原菌并竞争性排斥肠腔上皮的病原体。由于益生菌可耐受胃肠道恶劣环境，其在定植竞争中优于病原菌。肠上皮细胞上的多数黏附受体已被常驻益生菌占据，仅留少量位点供病原菌结合。许多益生菌产生的有机酸与细菌素可抑制多种病原菌。益生菌可上调紧密连接（TJ）蛋白（如闭合蛋白（claudins）、闭锁小环蛋白（occludin）、ZO-1）的表达，降低细胞旁通透性，该效应具有菌株特异性，已在植物乳杆菌（L. plantarum）、嗜酸乳杆菌（L. acidophilus）及布拉氏酵母菌（S. boulardii）等菌株的体外与动物模型研究中得到证实。部分菌株（如罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）、枯草芽孢杆菌（B. subtilis））可保护屏障免受产毒病原体的损伤，还能降低与屏障通透性相关的细胞因子水平。此外，益生菌可通过下调肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-1β（IL-1β）等促炎细胞因子，同时上调白细胞介素-10（IL-10）等抗炎细胞因子，调节宿主免疫系统，降低自身免疫病与过敏风险。
   5.2. Key Probiotic Genera
   乳杆菌复合群（乳酸菌）于2020年被重新分类为25个独立属（如植物乳杆菌属（Lactiplantibacillus）、干酪乳杆菌属（Lacticaseibacillus）），但“乳杆菌属”这一术语仍被广泛使用。嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）定植于小肠，其表面层蛋白（SlpA）可促进肠上皮黏附，且具有解共轭胆酸的能力，有助于降低胆固醇。鼠李糖乳酪杆菌（Lacticaseibacillus rhamnosus，原鼠李糖乳杆菌）GG株（LGG）是研究最充分的益生菌，其菌毛结构支持强定植能力，可有效治疗轮状病毒腹泻与抗生素相关性腹泻。罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）是人肠道原生菌，可产生 potent 抗菌醛类物质罗伊氏素，通过特异性调节免疫系统降低内脏痛觉，对婴儿肠绞痛及潜在肠易激综合征（IBS）有效。双歧杆菌属中，两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）可降解宿主来源聚糖（黏蛋白）与人乳寡糖（HMOs），通过“交叉喂养”机制将其代谢产物乙酸、乳酸供给普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）等产丁酸菌。长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）在宿主肠道内稳定性高，可缓解乳糖不耐受，并稳定应激诱导的肠道屏障通透性。短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）常作为儿科益生菌，可抑制早产儿炎症细胞因子产生，预防坏死性小肠结肠炎。其他 notable 益生菌包括布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii），该酵母天然耐受抗生素，是抗生素治疗期间预防艰难梭菌等产毒菌导致菌群失调的理想联用制剂。大肠杆菌Nissle 1917（Escherichia coli Nissle 1917）为非致病性大肠杆菌菌株，其独特的铁获取系统可使其在竞争中优于沙门氏菌及侵袭性大肠杆菌，是溃疡性结肠炎的标准维持疗法。费氏丙酸杆菌（Propionibacterium freudenreichii）可产生维生素B₁₂与丙酸，通过短链脂肪酸生成诱导结直肠癌细胞凋亡。新兴益生菌研究重点关注下一代益生菌（NGPs），如嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila），其可通过强化肠道屏障、降低内毒素血症改善肥胖与糖尿病的代谢参数。除活菌外，嗜黏蛋白阿克曼氏菌产生的细胞外囊泡（EVs）与外膜蛋白（如Amuc-1100、P9）即使经巴氏消毒后仍可降低炎症、改善代谢健康。
   5.3. V. umbellata (Rice Bean): Nutritional Profile
   开发未被充分利用的豆科作物作为新型益生菌载体，核心依据在于其高营养价值、生物活性成分含量及作为非乳源益生菌递送体系的潜力。非洲山药豆、班巴拉花生、刀豆、四棱豆、玛拉玛豆等物种均具备优异的益生元特性（抗性淀粉、寡糖、多酚），可支持益生菌存活。非乳源功能食品已成为全球趋势，2024-2032年复合年增长率（CAGR）达11.5%，主要驱动因素包括全球约65%人群存在乳糖不耐受、伦理选择（素食主义）及可持续性需求。饭豆是营养丰富、气候适应性强且未被充分利用的豆科作物，可耐受多数生物与非生物胁迫，适应不同土壤与气候条件。该一年生豆科作物原产于东南亚，广泛分布于印度东北部，可作为食物、饲料及绿肥多用途利用，常种植于丘陵地区并与玉米间作，既可保障粮食安全，又能改善土壤质量。其基因组大小约414–475 Mb，包含大量生物与非生物胁迫耐受相关基因家族。营养学分析显示，饭豆蛋白质含量达18%–32%，其中55%–60%为可消化蛋白，且富含其他豆类稀缺的蛋氨酸与色氨酸。其抗性淀粉含量约23.57%，膳食纤维丰富，可作为益生元，且升糖指数低，有助于糖尿病管理。脂肪含量低于2%，且多不饱和脂肪酸（PUFAs，如亚油酸、亚麻酸）占比高，支持心血管健康并具备抗炎潜力。铁、锌等微量元素密度高，可应对“隐性饥饿”与缺铁性贫血，传统发芽等加工方式可进一步提升其生物可及性。此外，饭豆富含酚类、黄酮类、皂苷等植物化学物，具备强自由基清除能力，可提供抗氧化、抗癌及抗炎效益。
   5.4. Antinutritional Factors (ANFs) in V. umbellata
   与所有豆科作物类似，饭豆含有抗营养因子（ANFs），包括植酸、单宁、胰蛋白酶抑制剂、棉子糖家族寡糖（RFOs）等，这类物质可降低营养素摄取、吸收与利用效率。植酸可螯合矿物离子，降低其吸收率；单宁与胰蛋白酶抑制剂可与消化酶形成复合物，延缓蛋白质消化并增加粪氮排出；RFOs（如棉子糖、水苏糖、毛蕊花糖）无法被单胃动物（如人类）消化，进入下消化道后被厌氧肠道菌群发酵，产生CO₂、H₂、CH₄等气体，引发胀气、腹痛与腹泻。
   5.5. Processing of ANFs
   同步去除抗营养因子与富集生物活性成分的加工方法是功能食品制备的有效路径。益生菌发酵可作为“生物精炼”过程，通过同步的减除与添加机制提升食品基质价值。发酵过程中，微生物产生的植酸酶、单宁酶分别降解植酸与单宁，释放铁、锌、镁、钙等矿物离子，提升其生物可及性，同时释放消化酶以促进蛋白质消化吸收。发酵还可释放生物活性肽、游离酚类、维生素、挥发性有机化合物、胞外多糖（EPS）等功能成分，提升食品功能价值。此外，饭豆中的RFOs可作为益生菌的碳源，避免其在肠道内发酵产气，使饭豆成为益生菌发酵的理想底物，形成包含豆科益生元纤维与益生菌的“共生”产品，该协同效应可提升细菌在胃肠道转运过程中的存活率，改善肠道定植效果。
6. 6.
   The Plant Microbiome: Endophytes and Stress Responses and Their Translational Relation to the Probiotic Functions
   内生菌是无致病性的细菌与真菌，定植于植物组织内部，通过与宿主的协同进化建立紧密关系，适应与宿主相同的胁迫环境。内生菌可诱导宿主产生抗逆化学物质，帮助宿主应对干旱、高温、盐渍等非生物胁迫。有趣的是，这些生存机制与人类益生菌的功能特征（尤其是耐酸与耐胆盐特性）具有相似性：益生菌在胃酸（pH 1.5–3）等强酸环境下可通过F₀F₁-ATP酶排出质子（H⁺），该机制在高渗透压环境下也可防止细胞质酸化。在干旱、工业加工等高温与干燥条件下，细菌会暴露于活性氧（ROS）与细胞脱水环境，此时其通过产生EPS作为外层保护结构、积累海藻糖作为膜稳定剂应对胁迫。细菌胁迫响应（GSR）的核心机制是激活替代σ因子（σ^B），其与RNA聚合酶结合后可启动多个胁迫响应基因表达。由于饭豆具备强环境胁迫耐受性，其内生微生物组很可能包含可存活于极端条件的菌株，分离这类菌株可获得天然适配植物基质发酵的益生菌，相较于在植物基质中生长受限的乳源菌株具备技术优势。近期研究证实，种子内生菌与宿主建立了协同进化关系，可耐受强环境压力。从植物基质中分离的乳植杆菌属（Lactiplantibacillus）与片球菌属（Pediococcus）在工业加工过程中存活率更高、货架期更长。有益内生菌与其天然载体底物（含抗性淀粉与寡糖）共同递送时，可形成定制化共生系统。这类菌株可利用碳水化合物活性酶（CAZymes）将不可消化膳食纤维分解为短链脂肪酸，通过交叉喂养富集厚壁菌门、放线菌门等有益菌群，改善宿主代谢与免疫健康。内生菌作为天然“生物工厂”，可产生复杂次级代谢产物，其抗氧化能力不仅可保护自身在胃肠道转运中存活，还可降低宿主肠上皮细胞的氧化应激，潜在缓解炎症并降低慢性疾病风险。相关植物内生菌（如铁皮石斛内生菌摩氏假单胞菌（Pseudomonas mosselii）、曲霉状毛壳菌（Trichocladium asperum））研究已证实其可提升有益菌属相对丰度及短链脂肪酸等代谢产物水平。内生菌还具备 potent 免疫调节功能，通过与植物的协同进化优化与宿主免疫系统的互作，促进分泌型IgA（sIgA）与关键细胞因子生成，增强体液免疫与细胞介导免疫。现有研究已证实内生菌具备耐酸、耐胆盐特性，同时具备黏附性能、病原菌竞争性排斥能力且无溶血活性。基因组与分子分析已鉴定出这些表型的遗传基础，包括胃肠道胁迫耐受与黏附相关基因，以及抗菌肽生物合成基因簇。动物模型研究提供了最具说服力的转化潜力证据：水稻种子内生菌对人细胞系、斑马鱼及小鼠无毒性，体内研究显示其可降低小鼠血胆固醇水平，基因组分析证实其无毒力基因，且存在叶酸、生物素、维生素B₁₂合成基因簇。目前尚无活内生菌作为益生菌的人体临床试验，但有研究提出细菌可通过膳食摄入从植物迁移至动物肠道，提示存在可同时定植植物根系与动物肠道的共享菌群。
   6.1. Metagenomics: Unlocking Microbial Dark Matter
   为充分挖掘内生微生物的潜力，宏基因组学工具不可或缺，因为传统培养依赖法无法培养超过99%的环境微生物。宏基因组学分析可用于研究植物生长、健康与生产力相关的微生物群落，全基因组测序的功能表征可揭示营养循环或促植物生长相关基因的功能。目前主要采用两类技术：扩增子测序（宏分类学）与鸟枪法测序。扩增子测序通过扩增特定系统发育标记基因（如16S rRNA、18S rRNA、ITS基因），是表征群落生物多样性的高性价比工具；鸟枪法宏基因组学则可提供微生物群落的功能全景。研究人员可通过个体基因与功能偏移（如非生物胁迫、毒力相关基因表达上调）映射代谢通路。近年来长读长测序技术（如PacBio HiFi、Oxford Nanopore）的发展进一步提升了宏基因组分辨率，可实现完整基因组组装与菌株水平的精准分类。基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学的多组学整合，已成为从鉴定内生菌多样性转向解析其功能机制的核心策略。当前研究主要聚焦豆科作物的根际促生细菌（参与固氮与胁迫耐受），少数新兴研究关注种子微生物组与植物内生菌，证实种子是有益微生物的储备库，可实现基因垂直转移。部分研究已证实植物基质中存在具备显著技术优势的益生菌菌株。16S rDNA序列分析显示，根组织中变形菌门（Proteobacteria）成员（如Stenotrophomonas sp.、Shinella sp.、Roseomonas sp.、Pantoea dispersa、Serratia marcescens）占主导地位。尽管已确认内生菌的分类多样性，饭豆种子内生菌的全基因组测序尚未开展。
   6.2. Safety and Risk Assessment
   新型植物源益生菌的引入需进行全面安全性评估，确保其无抗生素耐药性、溶血等有害特征。非常规益生菌来源的兴起要求即使部分乳酸菌属已被认定为安全（GRAS，公认安全），仍需进行严格的体内测试与基因组测序。SWOT分析评估了饭豆等未被充分利用豆科作物的内生菌作为益生菌候选株的战略潜力：优势包括天然适应干燥与温度波动，适合喷雾干燥与货架期稳定性，且常具备植物促生（PGP）特性（如抗氧化物质生成），可为宿主提供次级健康效益；劣势包括可能缺乏高度特异性的人肠道定植因子，且部分菌株（如Serratia marcescens AS32、Stenotrophomonas sp. INCA-Fr15）相较于乳杆菌属面临更严格的“合格安全推定”（QPS）审查，目前饭豆内生菌的菌株水平表征（包括登录号与基因组数据）有限，阻碍了直接益生菌评估。机遇包括适配非乳源植物基递送载体，对饭豆抗性淀粉等植物纤维的高亲和力可开发为共生产品，且饭豆根系中已发现具备益生菌特性的芽孢杆菌属（Bacillus）与沙雷氏菌属（Serratia）物种，为靶向菌株分离提供了依据；威胁包括若未严格筛选，复杂肠道环境中存在抗生素耐药基因转移风险，且已商业化的“超级菌株”使新型植物源分离株难以获得市场份额。Kosakonia pseudosacchari的完整基因组序列分析显示，其与肠杆菌科致病近缘种的核心差异在于缺乏显著毒力岛。小鼠体内Kosakonia sp. ZO-Rh4乙酸乙酯提取物的急性与亚慢性毒性研究未观察到显著异常。内生菌免疫原性研究主要聚焦有益效应，但表面受体触发失调炎症反应的研究仍属空白。细菌易位与长期定植研究未观察到相关现象，Phytobacter sp. RSE02无法黏附Caco-2细胞系或斑马鱼肠道，提示其易位潜力低，系统性播散风险小。
   6.3. Limitations and Future Scopes
   饭豆内生菌与传统宿主来源益生菌的比较分析显示，二者在分类学、安全性与进化适应方面存在显著差异。尽管Phytobacter sp. RSE02等饭豆内生菌展现出降胆固醇等益生菌特性，但其所属的细菌科常与环境中或机会性致病性相关，与传统肠道菌的GRAS状态形成鲜明对比。此外，植物内生菌普遍缺乏特异性黏附宿主黏膜的分子。现有饭豆研究的局限性包括过度依赖描述性研究、可培养性缺口与临床验证缺失，多数研究仅局限于宏分类学分析。尽管宏基因组学已注释了种子微生物组内的CAZymes等功能基因，但对应的活菌株常无法培养。内生菌的临床试验也十分有限。未来需部署高通量培养组学与单细胞测序技术，填补培养非依赖宏基因组数据与功能性内生菌研究之间的空白。为提升胃肠道黏膜黏附能力，可探索基因工程或人工封装策略。在将这类菌株作为新型功能成分上市前，需采用严格的安全性评估策略。此外，饭豆内生菌调控肠道菌群、影响短链脂肪酸、氧化三甲胺（TMAO）、胆酸水平的机制，以及其作用的TLR/NF-κB免疫通路等研究仍存在空白，需通过未来多组学与功能研究填补这一机制缺口。
7. 7.
   Conclusion
   饭豆作为可耐受显著环境胁迫的重要作物，同时是具备潜在益生菌与益生元特性的内生菌及抗性淀粉的储备库。本综述确立了非生物胁迫耐受性与益生菌效能之间的趋同性，证实细菌在恶劣环境中生存的适应机制与胃肠道耐受所需特征具有功能相似性。由替代σ因子σ^B调控的胁迫耐受机制通过EPS与海藻糖的生成提供恶劣环境防护，相较于传统乳源菌株具备技术优势。尽管新型益生菌存在肠道定植率低、监管壁垒等挑战，但可通过微封装、比较基因组学等方法解决。宏基因组技术的应用可鉴定有益代谢通路与安全性特征，为分离株作为潜在益生菌的开发提供依据。最终，益生菌发酵的价值化过程使饭豆成为“生物精炼”体系，在降低抗营养因子的同时，以生物活性成分与维生素富集食品基质。