植物乳杆菌抑制真菌特性及其比较基因组学研究

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植物乳杆菌作为一类公认安全的微生物,利用其抑制真菌特性替代化学防腐剂应用于食品生产加工,可极大的降低真菌污染几率、提高食品质量和保障食品安全。目前,植物乳杆菌抑制真菌特性的研究主要集中于生理生化相关,尚缺乏不同分离株抑制真菌活性差异分子机理的分析和解释,这在一定程度上限制了抗真菌植物乳杆菌资源的开发与利用。本研究以122株植物乳杆菌为研究对象,基于6种常见腐败真菌的抑制试验和耐酸耐胆盐试验开展抗真菌活性菌株筛选,利用液质联用技术进行抑菌活性物质鉴定,评估强抑制真菌活性菌株在食品防腐领域应用的潜力。同时,利用Illumina MiSeq测序平台对122株具有不同抑菌活性的植物乳杆菌进行全基因组重测序,借助NCBI数据库构建551株植物乳杆菌的基因集,通过深入分析其遗传背景、进化过程和相关功能基因,丰富植物乳杆菌种群进化理论,揭示不同抑菌特性差异发生的分子机制。本研究主要结果与结论如下:(1)从122株植物乳杆菌中筛选出一株对6种指示真菌均具有抑制活性且耐酸耐胆盐的植物乳杆菌IMAU80174。其抑菌活性物质主要为乳酸(3.35g/L)和乙酸(0.88g/L),其他低浓度的丙酸、苯乳酸、4-羟基苯乳酸、杆菌素、双乙酰协同参与整个抑菌过程。(2)将植物乳杆菌IMAU80174活菌或发酵上清液作为生物防腐剂添加到侵染黄曲霉和扩展青霉的水果和面包上,能够明显减缓腐败变质的速率。(3)551株植物乳杆菌泛基因集包含57132个基因,核心基因集包括661个基因占比仅为1.16%,表明植物乳杆菌种群具有较高的遗传多样性。(4)基于核心基因和全基因组SNP位点将系统发育结构细化为5个分支/子分支,不同来源植物乳杆菌分离株在遗传进化上存在明显差异,其中植物源分离株均匀地分布在整个系统发育树上,支持先前报道的游牧进化模型。动物和乳制品来源的分离株在进化支分布上呈现明显的偏好,表明其基因组进化过程和分离源存在紧密联系。鉴于这两类植物乳杆菌分离株与食品密切相关,其进化可能部分受到人类饮食文明和食品工业发展的影响。(5)基于122株植物乳杆菌抑菌活性,采用全基因组关联分析方法鉴定到一个与抑制真菌表型直接相关的SNP位点Chr2030723,该位点处于穿孔素编码基因上。综上所述,本研究筛选得到的植物乳杆菌IMAU80174具有广谱抗真菌活性,作为生物防腐剂具有较高的应用潜力。通过大规模的比较基因组学研究,首次揭示了动物和乳制品来源分离株与其生态位的相关性,为该物种在不同生态环境的适应性进化机制提供了新的见解。采用全基因组关联分析对植物乳杆菌抗真菌活性关键因子的定位,可作为抑制真菌植物乳杆菌快速筛选的参考指标。
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