乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)全球基因组学：水平基因转移与基因间变异驱动多重驯化及乳品适应性进化

推荐：研究人员针对乳酸乳球菌(L. lactis)种群分化机制不明的问题，通过分析1008株全球分离株基因组，揭示其通过水平基因转移(HGT)和基因间区(IGR)变异形成10个谱系，构建了机器学习模型预测发酵表型，为乳品发酵菌种优化提供新框架。

　　

乳酸菌在传统发酵食品中扮演着关键角色，其中乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)作为奶酪等乳制品的核心发酵剂，其经济价值不言而喻。然而，这个广泛分布于植物、乳品等生境的微生物，虽表现出惊人的遗传多样性，但其分化驱动因素和生态适应机制始终成谜。更令人困惑的是，先前研究对乳品适应过程中水平基因转移的作用、非编码区的功能贡献缺乏系统认知，且受限于样本量和地理偏差，难以构建全球性的进化图谱。

为破解这些难题，内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室的Weicheng Li、Jiaqi Sun等研究人员联合团队在《Journal of Advanced Research》发表了突破性研究。他们整合了来自五大洲六类生境的1008株L. lactis基因组数据，结合群体基因组学和功能基因组学分析，首次绘制了该物种全球遗传图谱，揭示了水平基因转移和基因间变异如何通过多重驯化事件塑造乳品适应性。

研究采用多组学技术联用的策略：通过全基因组重测序构建全球最大的L. lactis基因组数据集；利用核心单核苷酸多态性(SNP)和重组分析解析种群结构；基于MobileOG数据库注释移动遗传元件(MGE)；采用CAZy数据库分析碳水化合物活性酶谱；创新性地整合SNP矩阵、基因/IGR存在-缺失矩阵与发酵表型数据，开发机器学习预测模型。

基因组数据集与种群结构
分析显示1008株菌株分为两大遗传分支（A/B）和10个谱系，其中分支B占96.83%。分支B中的植物关联谱系L6与乳品谱系L8-L10存在显著基因流，而分支A（L1）的巴拉圭乳品分离株独立演化，暗示多重驯化路径。

基因流动与水平转移
TreeMix分析揭示乳品谱系存在密集基因迁移事件（N≥2），而植物谱系L6几乎无基因流。L8-L10谱系携带显著更多的MGE（尤其是噬菌体相关元件），其重组突变比(r/m)达1.91，印证HGT在乳品适应中的核心作用。

非编码区的功能启示
首次发现IGR在表型分化中的关键贡献：乳品谱系特异性IGR富集与发酵特性显著相关。机器学习模型证实，IGR和功能未知基因是预测发酵时间（准确率87.5%）的最重要特征。

代谢适应与表型预测
CAZy谱分析显示乳品谱系富含糖基转移酶（P<0.05），而植物谱系偏好糖苷水解酶。基于基因组特征的预测模型成功区分乳品/植物分离株的发酵效率（乳品株凝固时间缩短，P<0.05），为工业菌种筛选提供高通量工具。

这项研究从根本上改写了人们对微生物驯化的认知：非编码序列(IGR)与HGT共同构成L. lactis适应乳品生境的"双引擎"。提出的"多重驯化"模型解释了为何不同乳品谱系（如非洲主导的L9与欧亚富集的L10）虽独立起源却趋同进化出相似发酵特性。更为重要的是，建立的基因组-表型预测框架突破了传统菌种筛选的瓶颈，为精准设计发酵剂奠定基础。该成果不仅为理解微生物生态适应提供范式，更将推动乳品生物技术的革新发展。