乳酸菌因其獨特、多樣的功能特性，被廣泛應(yīng)用于乳品工業(yè)、大健康產(chǎn)業(yè)、家畜養(yǎng)殖、作物種植、環(huán)保產(chǎn)業(yè)、合成生物學(xué)及活菌藥物研發(fā)等多個領(lǐng)域。目前我國乳酸菌市場規(guī)模已達1200億元，年復(fù)合增長率高達12%，預(yù)計2030年將增至3000億元。文章依托內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)建設(shè)的乳酸菌種質(zhì)資源庫與基因組數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)綜述庫藏乳酸菌菌株的分類學(xué)特征、遺傳多樣性、功能基因特征及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力，明確資源優(yōu)勢向產(chǎn)業(yè)競爭力轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與技術(shù)路徑。
1. 全球最大乳酸菌種質(zhì)資源庫的構(gòu)建
1.1 樣本采集
自1989年以來，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳酸菌研究團隊在亞洲、歐洲、非洲、南美洲、北美洲和大洋洲共46個國家系統(tǒng)采樣，累計收集樣本6663份，覆蓋337類宿主生境，包括發(fā)酵食品、人體微生態(tài)、動物消化道以及環(huán)境樣本。
1.2 乳酸菌分離、鑒定和保藏
內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳酸菌研究團隊累計分離、鑒定并保藏乳酸菌55328株，建立了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳酸菌種質(zhì)資源庫（LABCC）。藏菌量已超過美國標(biāo)準(zhǔn)生物品收藏中心（ATCC）、日本微生物菌種保藏中心（JCM）、比利時微生物資源庫（BCCM）、德國微生物菌種保藏中心（DSM）、丹麥科漢森以及中國普通微生物菌種保藏管理中心（CGMCC）和中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心（CICC）等國際知名機構(gòu)，成為目前已知規(guī)模最大的乳酸菌種質(zhì)資源庫，并于2022年入選首批國家農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源庫名單。
資源庫包含乳桿菌目和雙歧桿菌目下的4個科、33個屬、456個物種，涵蓋常見乳酸菌物種的98%。針對乳酸菌的多樣棲息環(huán)境及復(fù)雜營養(yǎng)需求，開發(fā)了“定向營養(yǎng)富菌”培養(yǎng)組學(xué)技術(shù)，大幅提升了難培養(yǎng)乳酸菌的分離效率。同時，利用超低溫凍干和液氮保藏技術(shù)，確保菌株在長期儲存過程中的活性與遺傳穩(wěn)定性。依托上述技術(shù)，從自然發(fā)酵食品、母乳等樣本中分離得到勞登乳球菌，棉子糖乳球菌和大瀧彎乳桿菌等78個稀有物種，并鑒定出呼和浩特鏈球菌、乳品乳桿菌和蜜源雙歧桿菌等7個未報道新種，擴展了乳酸菌的物種多樣性。資源庫中乳酸菌優(yōu)勢類群包括8個核心屬，其中乳桿菌屬、乳球菌屬和雙歧桿菌屬占總菌株的87.8%。乳桿菌屬主要包括瑞士乳桿菌、乳酸乳球菌和植物乳植桿菌等440個物種；雙歧桿菌屬包括長雙歧桿菌、假小鏈雙歧桿菌、青春雙歧桿菌和動物雙歧桿菌等16個物種。該資源為我國乳酸菌基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化奠定了重要基礎(chǔ)。
2. 全球最大乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建
2.1 乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建歷程
截至2025年3月，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳酸菌研究團隊已完成LABCC中30168株菌株的全基因組測序，并整合公共數(shù)據(jù)庫中32302個乳酸菌分離株基因組，以及基于宏基因組數(shù)據(jù)組裝獲得的52408個非培養(yǎng)乳酸菌基因組，經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制與元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，剔除3819個低質(zhì)量基因組，最終篩選出118697個高質(zhì)量基因組，構(gòu)建了乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫（iLABdb）。iLABdb收錄的乳酸菌基因組數(shù)量已超過美國國家生物技術(shù)信息中心（NCBI）與歐洲核酸數(shù)據(jù)庫（ENA）等國際主流數(shù)據(jù)庫中乳酸菌基因組，成為目前已知的全球最大乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫。
2.2 乳酸菌物種多樣性與功能基因資源解析
在系統(tǒng)分類學(xué)層面，iLABdb涵蓋乳酸菌目和雙歧桿菌目下的6個科、45個屬及1487個物種。其中，乳桿菌屬包含1328個物種，雙歧桿菌屬包含161個物種，構(gòu)成了資源庫的核心類群。基因組數(shù)量超過100的物種共有90個，占總基因組數(shù)的68%。基因組數(shù)量優(yōu)勢類群主要為乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬和鏈球菌屬，優(yōu)勢物種主要包括糞腸球菌、屎腸球菌、瑞士乳桿菌以及乳酸乳球菌等。
在功能多樣性方面，iLABdb共包含約1.95億個基因，歸屬于115000個基因家族，其中30.3%為LABCC獨有功能基因，顯著豐富了全球乳酸菌的功能基因資源。已注釋的基因占60%，主要涉及碳水化合物代謝、氨基酸代謝、乳酸合成及細(xì)胞分裂等核心代謝過程。功能基因組學(xué)分析顯示，平均每個基因組包含404個碳水化合物代謝相關(guān)基因與53條完整代謝通路，并編碼3個次級代謝產(chǎn)物合成基因簇，涉及抗菌活性物質(zhì)、抗癌化合物及信號分子等多種功能，提示乳酸菌在生態(tài)互作與生物活性方面具有廣闊潛力。
2.3 乳酸菌的廣泛生態(tài)適應(yīng)性與應(yīng)用前景
從數(shù)據(jù)庫中篩選19699株食物來源的乳酸菌基因組，構(gòu)建了食源乳酸菌基因組集合，并將其與52936個非食源乳酸菌基因組在嚴(yán)格閾值下進行比較分析（平均核苷酸一致性>99%，比對覆蓋度>30%），發(fā)現(xiàn)乳酸菌具有顯著的跨生態(tài)位適應(yīng)性，能夠在食品、人體、動物以及自然環(huán)境等多種生態(tài)系統(tǒng)間維持動態(tài)的微生物循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，是驅(qū)動大健康生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及功能的關(guān)鍵核心微生物類群。
在乳酸菌與人類健康的關(guān)聯(lián)性研究方面，對9931例涉及32種疾病的人類腸道宏基因組樣本進行系統(tǒng)分析，解析了乳酸菌在不同疾病狀態(tài)下的豐度特征與群落組成模式，提示腸道中食源乳酸菌的基因組特征不僅可作為宿主健康狀態(tài)的重要指征，還可為臨床干預(yù)及益生菌篩選提供科學(xué)依據(jù)。
3. 乳酸菌篩選技術(shù)與功能菌株產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
在菌株篩選技術(shù)方面，依托iLABdb中的基因組數(shù)據(jù)并結(jié)合機器學(xué)習(xí)方法，開發(fā)了基于人工智能的益生乳酸菌精準(zhǔn)篩選平臺iProbiotics。在健康關(guān)聯(lián)預(yù)測方面，結(jié)合乳酸菌基因組與人類腸道宏基因組數(shù)據(jù)，建立了iHealthPredict健康預(yù)測模型。
在“傳統(tǒng)+智能”協(xié)同篩選的模式下，團隊已從LABCC中篩選出104株優(yōu)良菌株，其中包括88株益生性能突出的菌株和16株高性能發(fā)酵劑菌株。代表性菌株包括干酪乳酪桿菌Zhang、乳雙歧桿菌Probio-M8、乳雙歧桿菌V9、鼠李糖乳酪桿菌Probio-M9、植物乳植桿菌P-8等，其中45株已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，覆蓋乳制品生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)、綠色種植及健康養(yǎng)殖等多個領(lǐng)域，形成了從資源挖掘到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的全鏈條創(chuàng)新示范。
4. 乳酸菌資源與數(shù)據(jù)的開放共享
LABCC作為我國乳酸菌種質(zhì)資源共享的重要樞紐，近年來持續(xù)面向45家高等院校與科研機構(gòu)，以及131家企業(yè)提供共享服務(wù)。截至目前，累計向外共享菌株9774株次，提供菌株信息34419條次，有力支撐了乳酸菌在食品工業(yè)、大健康、畜牧養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品開發(fā)。與此同時，乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫iLABdb自上線以來，已累計獲得來自中國、美國、英國等72個國家用戶的訪問與使用，逐步形成了覆蓋全球的科研數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。
5. 展望
未來，乳酸菌資源與數(shù)據(jù)平臺的發(fā)展將持續(xù)向規(guī)模化、智能化和國際化邁進。依托現(xiàn)有的乳酸菌種質(zhì)資源庫（LABCC）與基因組數(shù)據(jù)庫（iLABdb），將不斷擴充菌株的數(shù)量與來源多樣性，進一步提升資源庫的代表性與獨特性。在數(shù)據(jù)維度，將系統(tǒng)整合菌株的表型特征、代謝譜、耐受性指標(biāo)及功能驗證等核心信息，形成標(biāo)準(zhǔn)化、可追溯的菌株特征檔案庫。
在技術(shù)應(yīng)用方面，結(jié)合人工智能與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立功能預(yù)測、生態(tài)適應(yīng)性評估及合成生物學(xué)設(shè)計一體化的解析模型，顯著提升功能菌株的篩選、優(yōu)化與應(yīng)用轉(zhuǎn)化效率。同時，將構(gòu)建可持續(xù)運行的乳酸菌智能云平臺，實現(xiàn)菌株與數(shù)據(jù)的集中存儲、高性能計算、可視化分析及遠程協(xié)作，為科研和產(chǎn)業(yè)用戶提供全流程技術(shù)支撐。
在戰(zhàn)略對接方面，將緊密圍繞國家重點發(fā)展方向，推動乳酸菌在食品、營養(yǎng)、環(huán)境及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的深度應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化升級。同時，加強與“一帶一路”沿線國家及國際微生物資源組織的交流合作，形成跨區(qū)域、跨學(xué)科的開放共享體系，打造具有全球影響力的乳酸菌科技創(chuàng)新與應(yīng)用高地。
原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=4QAaWarC2DQuRb_-m393hy-EsW1LM6UrjzM6UCuZNurJVYgRsnIAq5DpELgxLmILSYniu_f6zNSWvVZAnskBXqqw6TPbWpAiXGKuBwZV_HNdHnuCFx8MOxCEUSfdufaofHOAKOMeHQdJpax1KEU-Hkk55Hv8SbiU11wCqw74HUvFcyRQOxCZyQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
