《Food Bioscience》：Decoding and Redesigning Quorum Sensing in Food Ecosystems: Implications for Predictive Microbiology, Fermentation, and Food Safety
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摘要微生物通过群体感应（QS）进行交流日益被认为是调控食品安全、发酵性能和产品保质期的重要机制。传统上，QS与毒力和生物膜形成相关联，但现在人们认识到它是一个系统级的通信网络，协调食物环境中复杂的微生物相互作用。本综述考察了食源病原体、腐败菌、发酵微生物和暂时栖居于食物基质中
摘要
微生物通过群体感应（QS）进行交流日益被认为是调控食品安全、发酵性能和产品保质期的重要机制。传统上，QS与毒力和生物膜形成相关联，但现在人们认识到它是一个系统级的通信网络，协调食物环境中复杂的微生物相互作用。本综述考察了食源病原体、腐败菌、发酵微生物和暂时栖居于食物基质中的共生菌所采用的多样化QS策略。我们重点阐述了环境条件、空间结构和微生物菌群如何调节QS活性，从而影响食物系统中有用和有害的结果。我们进一步强调了合成生物学领域的最新进展，这些进展为重新设计QS通路提供了机会，从而工程化具有增强功能的微生物群落，支持受控代谢物生产、动态发酵和智能生物防腐。我们还考察了群体干扰（QQ）作为减轻微生物腐败和污染的有前景的策略，并讨论了其在食物系统中实际应用的机会和挑战。通过将当前QS知识与预测微生物学和系统级微生物控制的新兴发展相结合，本综述突出了微生物通信作为改善食品质量、安全性和可持续性的框架的潜力。
引言
微生物群落对于许多食品的质量、稳定性和安全性至关重要，既促成有益的发酵，也会导致腐败和病原污染。虽然传统食品微生物学通常关注微生物计数和存活率，但现在已充分确立，食物基质中的微生物进行着复杂的细胞间通信，使它们能够感知、适应并集体调控其行为（Aframian & Eldar, 2020; Lima et al., 2024; Miguel et al., 2026; Popat et al., 2015）。这些微生物行为受多种生态和调控过程影响，包括营养竞争、代谢互养、胁迫适应和细胞间信号传导。其中，群体感应（QS）——一种通过产生和检测小信号分子介导的群体依赖通信机制——已成为细菌在群落水平协调基因表达的重要手段。QS最初在费氏弧菌中被描述为控制生物发光的手段（Nealson et al., 1970），此后在多种革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌中被发现，在这些细菌中它调节运动性、生物膜形成、毒力、次级代谢物产生和胁迫抗性等关键行为（Papenfort & Bassler, 2016; Waters & Bassler, 2005）。
尽管QS在临床和环境微生物学中得到广泛研究，但其在食物相关生态系统中的作用最近才开始受到关注。从发酵产品、冷藏易腐食品到原始农产品，食物基质中的细菌很少孤立存在。相反，它们形成动态的多物种群落，微生物行为由生态互作共同塑造，包括营养竞争、代谢互养、抗菌物质产生以及对理化条件的响应。在这一更广泛的生态框架内，QS作为重要的调控机制，协调微生物种群间的合作、竞争和集体适应（Li & Tian, 2012; Mukherjee & Bassler, 2019; Zeng et al., 2023）。这些协调行为可以影响微生物群落是否促进产品稳定和风味发展，还是导致腐败和食品安全问题。例如，酰基高丝氨酸内酯（AHLs）介导的QS控制荧光假单胞菌和冻原群生菌等腐败菌中的脂肪酶和蛋白酶表达，加速肉类和海鲜中的蛋白质降解和异味形成（Lanlan Liu et al., 2022; Toma? & Myszka, 2022; Wang et al., 2021; Zhang et al., 2025）。相反，在发酵食品中，乳酸菌的自身诱导肽调控细菌素产生和酸化速率，从而影响微生物演替和产品品质（Jin et al., 2020; Michiel Kleerebezem, 2004; Rizzello et al., 2014）。
现在越来越清楚的是，QS不仅代表学术兴趣的微生物特征，也是食品微生物学家、技术专家和系统设计者的战略控制点。合成生物学的进步使得工程化具有定制QS电路的微生物群落成为可能，以改善风味谱、发酵控制和生物防腐（Alnahhas et al., 2020; Wang et al., 2025）。同时，预测微生物学模型开始将QS调控行为作为机制参数纳入，以更好地预测微生物生长动力学、腐败起始和保质期（Kuttler & Maslovskaya, 2021; Rodrigues Carneiro et al., 2024; Wang et al., 2025）。这些发展表明，QS可以从描述性微生物合作机制转变为智能食品加工、实时微生物监测和知情食品安全风险管理的可编程工具。尽管QS是微生物通信的突出机制，但它仅代表更广泛相互作用谱系的一个方面，包括代谢互养、通过抗菌物质产生的竞争和多样的环境胁迫响应。在本综述中，我们旨在重新框架QS，不仅将其视为微生物通信系统，而是将其视为控制食物生态系统中微生物行为的核心分子基础设施。我们首先概述与食物相关微生物中的主要QS系统，然后考察QS如何在实际食物条件下贡献于腐败、发酵和微生物生态。我们进一步讨论了如何开发利用QS作为微生物活动和污染的预测标志物，并探索通过合成生物学工程化QS系统以实现智能发酵控制。最后，我们考察新兴QQ策略及其在不损害有益微生物功能的情况下选择性靶向不良行为的潜力。这些发现共同将QS定位为微生物行为的系统级决定因素，其中解码和重新设计QS实现了智能、可持续和精准的微生物管理。
章节摘要
食源病原体：群体感应作为毒力和持久性的驱动因素
食源病原体是QS研究中研究最密集的群体之一，因为这些生物体利用细胞间通信来优化毒力、定植和食品加工条件下的存活。沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌O157:H7、空肠弯曲菌和金黄色葡萄球菌等关键病原体采用不同的QS系统，但都收敛于共同特征：生物膜形成、毒素分泌和抗菌药物耐药性，这些都
群体感应在水生态系统中的生态作用
虽然第2节概述了在食物相关微生物中运作的QS系统的分子结构，但其功能意义只有通过生态学视角才能显现。在水生态系统中，QS作为组织原则，将微生物密度、代谢活性和环境反馈与决定群落稳定性、演替和韧性的集体行为联系起来。QS网络不是作为孤立的调控电路运行，而是整合
在预测微生物学和食品安全中解码QS
预测微生物学旨在在特定环境条件下预测食品产品中的微生物行为。它是保质期确定、食品安全监测和食品行业微生物过程控制的基础。传统上，预测模型纳入温度、pH、水分活度、盐浓度和包装气氛等非生物因素来模拟微生物生长、灭活或存活。然而，这些模型通常将微生物视为
工程化群体感应以实现智能发酵和食品安全控制
虽然QS自然调控发酵性能和益生菌适应性（第2.3节），但合成生物学和系统微生物学的最新进展已将QS转变为有意的工程目标。QS电路工程、反馈响应发酵控制和通信感知包装的集成如图2所示。这些方法不是观察内源性信号传导，而是主动重新编程、拦截或利用QS通路来控制微生物
群体感应在食物系统中的新策略：一种食品安全方法
群体感应（QS）对于食源病原体和腐败生物体协调毒力、酶产生和生物膜形成至关重要。通过靶向QS，群体干扰提供了一种非杀菌策略来破坏微生物通信而非微生物生长，从而减少对抗菌药物耐药性的选择性压力（Machado et al., 2020; Tariq et al., 2025）。QQ方法包括信号分子的酶促降解、来自植物
QS和食品微生物学的未来方向
QS与预测微生物学和材料科学的融合为开发通信感知食品系统提供了新机会。QS响应生物传感器、工程化微生物群落、QQ策略和智能包装的进步已展示了改善发酵控制、腐败监测和食品安全的潜力。然而，在将这些方法转化为实际应用之前，仍存在若干挑战，包括多样性
结论
群体感应（QS）长期以来被认为是微生物通信的基本机制，但其在食品科学中的战略重要性才开始被充分认识到。通过介导发酵动力学、腐败进程、益生菌功能和微生物韧性，QS成为理解食物基质中微生物生态的统一框架。
将QS纳入预测微生物学代表了范式转变，使微生物行为能够
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CRediT作者贡献声明
Vijayalakshmi Subramanian：撰写–原始草稿。Praveena Bhatt：撰写–原始草稿。Vinod Kumar Nathan：撰写–原始草稿。Venkadesaperumal Gopu：撰写–审查与编辑、撰写–原始草稿、监督、概念化。Sruthi K：撰写–原始草稿。Nandini Prasad Shetty：撰写–原始草稿。
未引用参考文献
Blana and George-John, 2014; Bulajic et al., 2022; Di et al., 2010; Kleerebezem, 2004; Liu et al., 2022; McCarty and Rodrigo, 2019; Rasmussen and Michael, 2006; Rodrigues et al., 2024; Skandamis and George-John, 2012; Wang et al., 2024; Wang et al., 2025.
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Venkadesaperumal Gopu报告获得CSIR - 中央食品技术研究院的财务支持和行政支持。Venkadesaperumal Gopu报告与CSIR - 中央食品技术研究院的关系包括：就业和资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的
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