Genomic Stability and Phenotypic Characteristics of Industrially Produced Lacticaseibacillus rhamnosus GG in a Yogurt Matrix

研究背景与意义

鼠李糖乳杆菌GG（Lacticaseibacillus rhamnosus GG，LGG）是目前全球范围内应用最广泛的益生菌之一，因其良好的耐酸、耐胆盐能力以及优异的肠道黏附性而被广泛用于多种功能性食品和膳食补充剂中。LGG的益生菌特性主要归因于其表面结构，尤其是由spaCBA-srtC1基因簇编码的SpaCBA菌毛，这些菌毛不仅介导其与宿主肠道上皮细胞和黏液的结合，还参与免疫调节、竞争性排斥病原菌等多种益生机制。

然而，近年来的研究表明，LGG在工业化生产和储存过程中可能发生基因组不稳定性，尤其是spaCBA-srtC1基因簇的缺失，已被多次报道。这种缺失可能导致菌株失去其关键的黏附能力和部分益生功能。因此，确保LGG在生产、加工及储存过程中的基因组完整性，对于维持其益生功能至关重要。

本研究系统评估了LGG在酸奶基质中共发酵后的基因组稳定性及其关键表型特征，旨在验证其在实际食品应用中是否仍能保持其典型的益生特性。研究通过对66个样本进行全基因组测序，并结合体外功能实验，全面分析了LGG在酸奶中的遗传稳定性、耐受性、屏障功能调节能力及免疫调节活性。

实验设计与样本采集

本研究共采集了66个样本，包括60个单菌落分离株和6个群体样本，涵盖LGG在冷冻颗粒、酸奶发酵初期及货架期末期的不同状态。具体样本包括：

冷冻颗粒样本：生产批次开始（F_Start）与结束（F_End）阶段；

酸奶样本：生产当天（Y1）与冷藏28天后（Y28）；

每个样本分别提取群体DNA（ON）和10个单菌落分离株。

所有样本均进行全基因组测序，覆盖度平均超过118×，确保检测到低频突变和基因缺失事件。

基因组稳定性分析

1. 全基因组完整性评估

通过对所有样本进行de novo组装和与参考基因组（ASM2650v1）比对，研究发现：

所有6个群体样本（包括冷冻和酸奶样本）均未检测到spaCBA-srtC1基因簇缺失；

在60个单菌落分离株中，仅有一个分离株（Y1_F_Start_I9）存在该基因簇的完全缺失；

通过qPCR验证，该缺失仅存在于该单菌落中，未在原始群体样本中检测到，表明该缺失可能是在分离培养过程中随机发生的。

图1展示了该缺失事件的验证过程，包括覆盖度比值分析和qPCR结果，进一步确认该缺失为个别事件，未在群体中扩散。

图1

2. 单核苷酸多态性（SNP）分析

在所有样本中共检测到21个SNP位点，其中5个为前期研究中已发现的亚群特征，其余16个为新检测到的突变，分布于不同分离株中。值得注意的是，有一个SNP（位于2253036位点）在13个分离株中均被检测到，提示该突变可能存在于原始菌株库中，属于亚群特征，而非生产过程中新出现的突变。

通过PROVEAN预测，仅有一个SNP被预测为“有害突变”，其编码蛋白为ABC转运蛋白，可能参与多重耐药机制。然而，由于该突变在群体中比例较高（约22%），且未表现出明显的生长劣势，推测其对菌株适应性影响有限。

表型特征分析

1. 酸耐受性与胆盐耐受性

LGG作为益生菌，其通过胃肠道的能力依赖于其对胃酸和胆盐的耐受性。研究通过模拟胃液（pH 2.0）和胆盐（1%猪胆盐）环境，评估了不同状态下LGG的存活能力：

所有样本在胃酸处理1小时后存活率无显著下降；

胆盐处理后，所有样本存活率下降4–5个数量级，但冷冻颗粒样本表现出略高的耐受性；

酸奶基质中的LGG在胆盐处理下的存活率略低，但差异不显著，表明酸奶基质对其耐受性影响有限。

图2展示了不同样本在胃酸和胆盐处理后的CFU变化趋势，进一步说明LGG在酸奶中仍保持较高的胃肠道耐受性。

图2

2. 上皮屏障功能调节能力（TEER实验）

通过Caco-2细胞单层模型评估LGG对肠道屏障功能的影响，结果显示：

冷冻LGG单独处理可显著提高TEER值（约30%）；

酸奶中仅含发酵剂（S. thermophilus + L. bulgaricus）时，TEER提高约44%；

共发酵LGG的酸奶在生产当天TEER提高达90%，显著高于其他处理组；

但在货架期末期，该增强效应减弱至47%，提示LGG在酸奶储存过程中其屏障调节活性可能有所下降。

图3展示了不同处理组在20小时内的TEER变化曲线及AUC统计结果，表明LGG在酸奶中可协同增强肠道屏障功能。

 

图3

3. 免疫调节活性（树突状细胞实验）

研究进一步评估了LGG对树突状细胞（DC）分泌炎症因子的影响，结果显示：

LGG单独诱导的炎症因子水平较低，仅IL-6和IL-8显著升高；

发酵剂单独处理可显著诱导IL-10、IL-6、IL-8、TNF-α、IL-12p70和IL-1β的分泌；

当LGG与发酵剂联合使用时，IL-10、IL-6和IL-8的分泌水平显著下降，提示LGG具有一定的免疫调节和抗炎作用；

该效应在冷冻和酸奶基质中均存在，说明其免疫调节功能不受基质影响。

图4展示了三种不同供体来源DC细胞在不同处理下的细胞因子分泌水平，进一步验证了LGG的免疫调节活性。

 

图4

结论与展望

本研究系统评估了LGG在酸奶中共发酵后的基因组稳定性与关键表型特征，得出以下结论：

LGG在酸奶发酵和储存过程中基因组高度稳定，spaCBA-srtC1基因簇仅在个别分离株中缺失，未在群体中扩散；

酸奶基质对LGG的酸耐受性无显著影响，对胆盐耐受性有轻微影响；

LGG在酸奶中可显著增强肠道屏障功能，且与酸奶基质存在协同效应；

LGG具有免疫调节作用，可抑制发酵剂诱导的部分炎症因子分泌，表现出抗炎潜力；

在货架期内，LGG的活性和部分功能可能有所下降，建议优化储存条件以延长其功能稳定性。

综上所述，LGG在酸奶基质中不仅保持了其基因组完整性，还展现出良好的益生特性，为其在功能性食品中的应用提供了坚实的科学依据。未来研究可进一步探索其在体内模型中的功能表现及其与其他益生菌的协同机制，以推动其在精准营养和个性化健康产品中的应用。

 

名称	货号	规格
U-PLEX Proinflam Combo 1 (hu) SECTOR (25 PL)	K15049K-4	25PL
U-PLEX Proinflam Combo 1 (hu) SECTOR (5 PL)	K15049K-2	5PL
U-PLEX Proinflam Combo 1 (hu) SECTOR (1 PL)	K15049K-1	1PL