微生物胞外多糖（EPS）是由微生物在生長和代謝過程中產生的高分子質量碳水化合物聚合物，可附著于細胞表面或釋放至周圍環境。EPS由重復的糖或糖衍生物支鏈組成。根據單糖組成，EPS可分為均多糖或雜多糖。EPS具有多種對人體健康有益的生物活性，如抗氧化、抗菌、降血糖、免疫調節、降膽固醇等。

全基因組測序（WGS）技術為理解和開發EPS生產菌株提供了強大的工具。通過WGS能夠詳細分析目標微生物的全基因組序列，揭示其全部遺傳信息，從分子層面對生物體功能進行解讀并挖掘功能基因，為篩選優良菌株奠定基礎。

貝萊斯芽孢桿菌（

B. velezensis

）因其快速的繁殖能力、出色的抗逆性、多樣的代謝產物、簡單的營養需求以及對人體、動物的安全性，已在動植物益生菌領域得到了廣泛的關注和研究。

大連工業大學食品學院的梁悅琪、張玉姣、張素芳*等人前期從傳統發酵食品郫縣豆瓣中分離獲得1 株功能活性突出的EPS生產菌株

B. velezensis

L-39，本研究對

B. velezensis

L-39進行WGS和分析，旨在揭示其生產EPS的分子基礎，并通過多個數據庫進行基因功能注釋，從而為進一步的應用開發提供理論基礎。

1

基因組的基本組成

WGS結果顯示，

B. velezensis

L-39不含質粒，僅具有一條染色體基因序列，總長約為3 970 591 bp，平均GC含量為46.56%，其基本組成如表2所示。利用GeneMarkS和Prodigal軟件、Glimmer系統（http://ccb.jhu.edu/software/glimmer/index.shtml）進行編碼序列（coding DNA sequence，CDS）的預測，結果表明該基因組共編碼3 770 個基因，平均基因長度為932.88 bp，編碼區占基因組總長度的88.58%。其中，3 765 個基因在NCBI非冗余蛋白數據庫中找到同源序列，2 358 個基因可以映射到KEGG數據庫。基因組中還包含86 個tRNA基因、27 個rRNA基因以及84 個sRNA基因。

2

基因功能注釋

2.1 全基因組圈圖

根據基因組的基本特征可以繪制出

B. velezensis

的基因組圈圖，如圖2A所示，從內圈到外圈依次為正鏈、負鏈上的編碼基因（不同顏色代表COG分類）、

B. velezensis

的12 個次級代謝產物合成基因簇在基因組中的位置和長度、rRNA和tRNA、GC含量、GC Skew值。

2.2 COG數據庫注釋

如圖2B所示，比對COG數據庫后發現，在所有基因中有3 070 個基因被分別注釋到23 個COG類別中，占基因總數的81.43%。除去功能未知的144 個基因外，被注釋到氨基酸的運輸與代謝的編碼基因占比最大，共有305 個（占比9.93%）；其次是注釋到轉錄（289 個，占比9.41%）、碳水化合物的運輸與代謝（272 個，占比8.86%）以及預測一般功能（252 個，占比8.21%）的基因。

2.3 GO數據庫注釋

如圖2C所示，

B. velezensis

L-39基因組在GO數據庫中進行比對分析后，共檢測出3 類功能基因，分別為分子功能（MF）、生物過程（BP）、細胞組分（CC）。注釋到MF的基因共1 885 個，其中ATP結合基因275 個（占比7.29%）、DNA結合基因199 個（占比5.28%）；注釋到BP的基因占比較多，共1 246 個，其中磷酸化基因73 個（占比1.94%）、蛋白質分解基因66 個（占比1.75%）；注釋到CC的基因共1 184 個，其中分類到膜的組成部分基因650 個（占比17.24%）、細胞質基因315 個（占比8.36%）。

2.4 KEGG數據庫注釋

B. velezensis L

-39基因組進行KEGG數據庫比對分析，揭示了其基因組編碼蛋白質參與廣泛的生物過程，特別是在代謝類通路中表現出顯著的多樣性，結果如圖2D所示。共檢測出6 類功能基因編碼蛋白（共2 358 個）：新陳代謝類通路注釋的基因最多，其中碳水化合物代謝注釋244 個基因、氨基酸代謝注釋204 個基因、輔助因子和維生素的代謝注釋165 個基因；環境信息處理類通路注釋的基因次之，其中膜運輸注釋148 個基因、信號轉導注釋143 個基因。除此之外，還有細胞過程、人類疾病、遺傳信息處理、生物系統4大類27 條代謝通路。

根據篩菌結果可知，

B. velezensis

L-39可合成EPS，合成多糖過程中許多基因參與碳代謝及膜運輸，可見

B. velezensis

L-39的代謝通路豐富，代謝活動活躍。

3

CAZy數據庫注釋

如表3所示，

B. velezensis

L-39基因組在CAZy數據庫中共發現126 個基因，其編碼蛋白屬于CAZy家族，包括糖基轉移酶（41 個）、糖苷水解酶（39 個）、碳水化合物酯酶（32 個）、氧化還原酶（9 個）、多糖裂解酶（3 個）和碳水化合物結合域（2 個）。在預測的糖苷水解酶家族中，GH1、GH3和GH51具有分解纖維素酶的功能；GH16和GH26具有分解葡聚糖的功能；GH18和GH23具有合成幾丁質酶的功能。在預測的碳水化合物酯酶家族中，CE4具有分解肽聚糖的功能。在預測的碳水化合物結合域家族中，CBM50與GH18功能相同，都可以合成幾丁質酶。綜上所述，

B. velezensis

L-39能分解纖維素、肽聚糖、幾丁質和葡聚糖等物質。

4

不同季節烘青綠茶中關鍵香氣活性成分分析

4.1 CARD數據庫注釋

B. velezensis

L-39基因組在CARD數據庫中進行比對分析，以一致度≥80%為條件，得到CARD注釋結果如表4所示。紀帥奇等的研究表明，枯草芽孢桿菌SNBS-3的耐藥基因有12 個，其中包含多個多重耐藥性基因，說明

B. subtilis

SNBS-3具有一定的耐藥性。而

B. velezensis

L-39的基因組有耐藥基因只有3 個，說明其安全性較好。

4.2 菌株耐藥性評價

B. velezensis

L-39進行抗生素敏感性分析，當抑菌圈直徑≤14 mm時記為抗性（R），直徑在14～20 mm時記為中度敏感（I），直徑≥20 mm時則記為敏感（S）。如表5所示，

B. velezensis

L-39對利福平和萬古霉素中度敏感（14～22 mm），對10 種抗生素頭孢唑林、四環素、紅霉素、阿米卡星、卡那霉素、慶大霉素、頭孢拉定、鏈霉素、紅霉素、阿奇霉素和氯霉素敏感（≥20 mm），說明菌株耐藥性較弱，安全性良好，與預測結果一致。

5

貝萊斯芽孢桿菌合成EPS代謝途徑分析

將2.4節中KEGG數據庫的注釋結果進行基因功能分析，從磷酸轉移酶系統、糖酵解和糖異生、氨基糖和核苷糖路徑中進行功能對比，找到32 個與EPS合成和運輸相關基因。

B. velezensis

L-39代謝途徑可分為4 步：葡萄糖的磷酸化、核苷糖前體（UDP-葡萄糖、UDP-半乳糖、dTDP-鼠李糖、UDP-

N

-乙酰-

D

-氨基甘露聚糖）的合成、多糖重復單元合成與修飾、EPS的代謝。通過分析相關基因，建立

B. velezensis

L-39以培養基中葡萄糖為唯一碳源，合成單糖前體、轉運、合成EPS的代謝途徑，結果如圖3所示。

5.1 與多糖單體合成有關基因

在本研究中，通過對

B. velezensis

L-39全基因組進行細致的分析，成功揭示了其EPS合成的分子基礎。

B. velezensis

L-39基因組中包含的相關基因（表6）和基因簇在多糖合成路徑上扮演著關鍵角色，從而促進了多糖的生物合成過程。其中，與多糖單體合成有關的路徑有4 條，分別為葡萄糖核苷糖前體——UDP-葡萄糖的合成、半乳糖核苷糖前體——UDP-

N

-乙酰-

D

-氨基甘半乳糖的合成、鼠李糖核苷糖前體——dTDP-鼠李糖的合成、甘露糖核苷糖前體——UDP-

N

-乙酰-

D

-氨基甘露聚糖的合成。

首先，磷酸葡萄糖轉移酶系統通過

crr

基因編碼的磷酸葡萄糖轉移酶將培養基中的葡萄糖有效地轉運到細胞內部。隨后，通過

glk

基因編碼的葡糖激酶將葡萄糖轉化為葡萄糖-6-磷酸，

pgm

基因編碼的葡萄糖磷酸變位酶將其進一步轉化為葡萄糖-1-磷酸，這一系列反應是多糖合成的關鍵步驟。

第1條路徑中，葡萄糖-1-磷酸通過UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷酰轉移酶轉化為UDP-葡萄糖，其中UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷酰轉移酶由

ga1U-1

ga1U-2

編碼。

第2條路徑中，UDP-葡萄糖通過UDP-葡萄糖4-差向異構酶轉化為UDP-

D

-半乳糖，該過程為可逆化過程，UDP-葡萄糖4-差向異構酶由

galE1

galE2

編碼。

第3條路徑中，葡萄糖-1-磷酸通過由

rfbA

編碼的葡萄糖-1-磷酸胸苷轉移酶轉化為dTDP-葡萄糖。dTDP-葡萄糖轉化為dTDP-4-oxo-6-脫氧-

D

-葡萄糖，該過程的酶由

rfbB

編碼。dTDP-4-oxo-6-脫氧-

D

-葡萄糖通過由

rfbC

編碼的dTDP-4-脫氫鼠李糖3,5-二聚酶轉化為dTDP-4-oxo-

L

-鼠李糖。dTDP-4-oxo-

L

-鼠李糖最終通過由

rfbD

編碼的dTDP-4-脫氫鼠李糖還原酶轉化為dTDP-

L

- 鼠李糖。

第4條路徑中，葡萄糖-6-磷酸通過由

pgi

編碼的葡萄糖-6-磷酸異構酶轉化為果糖-6-磷酸，實現異構。果糖-6-磷酸通過由

glmS

編碼的谷氨酰胺果糖-6-磷酸轉氨酶轉化為葡糖胺-6-磷酸。葡糖胺-6-磷酸通過由

glmM

編碼的磷酸葡糖胺變位酶轉化為葡糖胺-1-磷酸，實現異構化。將葡糖胺-1-磷酸轉化為乙酰葡糖胺-1-磷酸后焦磷酸化生成UDP-

N

-乙酰葡糖胺，該過程由

glmU

雙功能酶基因編碼。UDP-

N

-乙酰葡糖胺被UDP-

N

-乙酰葡糖胺2-二聚酶轉化為UDP-

N

-乙酰-

D

-氨基甘露聚糖，該過程中UDP-

N

-乙酰葡糖胺2-二聚酶由

wecB

編碼，發生在氨基糖和核苷糖代謝過程中。

根據以上推測，

B. velezensis

L-39具有完整的4 條路徑合成4 種核苷糖前體，分別為葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、甘露糖。該推測與本課題組表征的

B. velezensis

L-39 EPS結構一致。

5.2 重復單元合成的相關基因——糖基轉移酶基因

多糖的結構及其特性由糖苷鍵類型和單糖種類決定，其中單糖種類已在2.5.1節中提及，糖苷鍵類型則是由糖基轉移酶決定。將2.2.4節中KEGG數據庫的注釋結果進行基因功能分析，得到7 個糖基轉移酶基因（

epsD

epsE

epsF

epsH

epsI

epsJ

epsL

），它們能連接主鏈及支鏈的單體核苷糖決定糖苷鍵類型。

主鏈上

epsD

以UDP-葡萄糖為底物，參與EPS生物合成第一步；

epsE

epsF

可以將UDP-葡萄糖轉移至重復單元；

epsL

可以將UDP-葡萄糖或UDP-半乳糖轉移到脂質載體上，該步驟較為重要，是重復單元合成的第一步。

支鏈中

epsH

可能將dTDP-鼠李糖轉移至重復單元；

epsI

epsJ

在多糖代謝中的功能還有待探究，推測可能與支鏈中單體核苷糖的轉移有關。

5.3 與多糖聚合及分泌有關的基因

多糖分泌是在糖基轉移酶的作用下完成重復單元合成后，將重復單元轉運至胞外的過程。將2.2.4節中KEGG數據庫的注釋結果進行基因功能分析，得到4 個相關基因（

epsK

epsG

epsA

epsB

）。

epsK

編碼蛋白與O-抗原轉運蛋白具有相似的跨膜運輸功能，可使重復單元從細胞質側轉運至細胞周質。

epsG

編碼蛋白可將重復單元聚合至糖鏈上。

多糖共聚合酶（

PCPs

）編碼蛋白可調控重復單元的聚合度，在

B. velezensis

L-39中，PCPs蛋白是由

epsA

epsB

兩個基因編碼。其中EpsA控制多糖鏈長，還可以轉運EPS至胞外；EpsB通過磷酸化EpsA調控，EpsB與PCPs蛋白C端同源，具有ATP酶的功能。

5.4 與多糖代謝有關的其他功能基因

將2.2.4節中KEGG數據庫的注釋結果進行基因功能分析，得到4 個與單糖殘基修飾有關基因（

epsC

epsM

epsO

epsN

）。在糖基轉移作用后，氨基轉移酶對多糖重復單元進行氨基修飾，該過程中氨基轉移酶由

epsN

編碼。其他3 個基因可能修飾葡糖胺，具體功能和作用位點有待研究。此外，還發現與地衣芽孢桿菌CGMCC 2876的轉錄調節因子SirR氨基酸序列相似的基因

slrR

，推測該基因是調控

B. velezensis

L-39

eps

基因簇的轉錄調節因子。

5.5

eps

基因簇

與多糖中重復單元的合成、多糖聚合及分泌、代謝的其他相關基因結果見表7，在對

B. velezensis

L-39菌株的基因組進行全面的基因定位與分析時，采用了一種直觀且信息豐富的線性圖表示方法。該方法通過將基因組分割成多個支架，并在每個支架上詳細展示編碼基因的分布情況，并根據基因所屬的COG功能分類，使用不同顏色進行標記。如圖4所示，

eps

基因簇圖譜清晰地展示了基因組的組織結構和功能特征。

6

貝萊斯芽孢桿菌產EPS基因的鑒定結果

葡萄糖-1-磷酸被UDP-葡萄糖焦磷酸化酶轉化為UDP-葡萄糖，該過程中的UDP-葡萄糖焦磷酸化酶由

galU

編碼。UDP-葡萄糖是多糖合成中的關鍵中間體，處于多個代謝途徑的重要節點。UDP-葡萄糖和UDP-半乳糖相互轉化的過程依賴于

galE

編碼UDP-葡萄糖4-差向異構酶，因此，

galE

是半乳糖單體合成的關鍵基因。葡糖胺-1-磷酸轉化為乙酰葡糖胺-1-磷酸后焦磷酸化生成UDP-

N

-乙酰葡糖胺，該過程由兩步反應組成，整個過程都由

glmU

雙功能酶基因編碼，

glmU

在氨基糖合成途徑中發揮重要作用。

rfbA

基因編碼合成葡萄糖-1-磷酸胸苷轉移酶，其在合成鼠李糖的重復單元中至關重要。

綜上所述，推測這4 個基因在合成EPS過程中起到關鍵作用，利用基因序列在NCBI數據庫上進行相關引物設計，每個基因設計兩個引物。對基因片段擴增后進行瓊脂糖凝膠電泳驗證，結果如圖5所示。每一個基因設計的引物與其片段長度都一一對應，說明

B. velezensis

L-39中存在這4 個與產糖有關的關鍵基因。

結論

本研究對

B. velezensis

L-39進行基因組學分析，可知基因組由單一染色體構成，不含質粒，全基因組大小為3 970 591 bp，平均GC含量為46.56%，表明該菌株具有典型的細菌基因組結構，其基因組大小和GC含量在細菌中屬于常見范圍。利用Glimmer、GeneMarkS和Prodigal軟件預測出的CDS組裝成3 770 個基因，平均長度為932.88 bp，編碼區占全基因組的88.58%。其中3 765 個基因在NR數據庫中有同源序列，2 358 個基因注釋到KEGG數據庫中，表明這些基因在多糖代謝途徑中可能發揮作用。

通過KEGG數據庫分析，結合基因序列的功能預測，找到16 個多糖合成有關基因和16 個

eps

基因簇的合成基因，可以完整預測

B. velezensis

L-39利用葡萄糖合成EPS的代謝途徑。這一途徑涉及多個關鍵基因，包括

galU

galE

glmU

rfbA

等，其在多糖合成中均起到關鍵作用。通過設計引物并在NCBI數據庫上進行相關引物設計，證實了4 個關鍵基因在

B. velezensis

L-39中的存在。

綜上所述，

B. velezensis

L-39的基因組分析揭示了其豐富的代謝通路和EPS合成能力，可為進一步的生物學研究和工業應用提供重要的遺傳信息和理論基礎。

第一

作者

梁悅琪 研究生

大連工業大學食品學院、海洋食品加工與安全控制全國重點實驗室、國家海洋食品工程技術研究中心2021級碩士研究生。主要從事研究領域：食品微生物和發酵工程。現工作單位：濟川藥業集團有限公司 質量控制部。

通信

作者

張素芳 教授

張素芳，大連工業大學食品學院教授，博士生導師。中國食品學會葡萄酒分會委員，遼寧省食品科學技術學會理事，主要從事食品微生物和代謝工程、發酵食品微生物菌群解構和重構、微生物資源化挖掘和利用等研究。目前主持國家“十三五”重點研發專項項目子課題、國家“十四五”重點研發專項項目子課題、國家自然科學基金青年基金、國家自然科學基金面上基金等國家級縱向科研課題8 項，其他項目8 項。以第一發明人獲中國授權發明專利16 件，PCT專利1 件。發表學術論文40余篇。獲2021年遼寧省自然科學獎二等獎、2018年大連市技術發明獎一等獎、2017年遼寧省科技進步三等獎各1 項。

本文《基于全基因組測序解析貝萊斯芽孢桿菌產胞外多糖的分子基礎》來源于《食品科學》2024年45卷第22期34-42，作者：梁悅琪，張玉姣，代藝偉，陳映羲，董 亮，張素芳*。DOI :10.7506/spkx1002-6630-20240410-093。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：農夢琪；責任編輯：張睿梅。點擊下方 閱讀原文 即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為深入探討未來食品在大食物觀框架下的創新發展機遇與挑戰，促進產學研用各界的交流合作，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監督管理總局技術創新中心（動物替代蛋白）及中國食品雜志社《食品科學》雜志、《Food Science and Human Wellness》雜志、《Journal of Future Foods》雜志主辦，西華大學食品與生物工程學院、四川旅游學院烹飪與食品科學工程學院、西南民族大學藥學與食品學院、四川輕化工大學生物工程學院、成都大學食品與生物工程學院、成都醫學院檢驗醫學院、四川省農業科學院農產品加工研究所、中國農業科學院都市農業研究所、四川大學農產品加工研究院、西昌學院農業科學學院、宿州學院生物與食品工程學院、大連民族大學生命科學學院、北京聯合大學保健食品功能檢測中心共同主辦的“第二屆大食物觀·未來食品科技創新國際研討會”即將于2025年5月24-25日在中國 四川 成都召開。

長按或微信掃碼進行注冊

會議招商招展

聯系人：楊紅；電話：010-83152138；手機：13522179918（微信同號）

為進一步深入探討食品產業在當前復雜多變環境下的高質量發展路徑，并著重關注食品科學、營養安全保障的基礎研究與關鍵技術研發，貫徹落實“大食物觀”和“健康中國2030”國家戰略，北京食品科學研究院和中國食品雜志社《食品科學》雜志、《Food Science and Human Wellness》雜志、《Journal of Future Foods》雜志，將與國際谷物科技協會（ICC）、湖南省食品科學技術學會、湖南省農業科學院農產品加工研究所、湖南農業大學、中南林業科技大學、長沙理工大學、湘潭大學、湖南中醫藥大學、湖南農業大學長沙現代食品創新研究院共同舉辦“第十二屆食品科學國際年會”。本屆年會將于2025年8月9-10日在中國 湖南 長沙召開。

長按或微信掃碼進行注冊

會議招商招展

聯系人：楊紅；電話：010-83152138；手機：13522179918（微信同號）