有氧呼吸對乳酸乳球菌代謝途徑的影響及其潛在應用展望

李柏良,劉 飛,于上富,杜金城,靳 妲，蒙月月，李 娜，閆芬芬,霍貴成

(東北農業(yè)大學,乳品科學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030)

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有氧呼吸對乳酸乳球菌代謝途徑的影響及其潛在應用展望

李柏良,劉 飛,于上富,杜金城,靳 妲，蒙月月，李 娜，閆芬芬,霍貴成*

(東北農業(yè)大學,乳品科學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030)

作為兼性厭氧菌,乳酸乳球菌具有雙重的代謝模式,既可以在厭氧條件下進行傳統(tǒng)的發(fā)酵代謝,也可以在添加血紅素且通氧的條件下進行有氧呼吸代謝。本文綜述了乳酸乳球菌有氧呼吸代謝的遺傳基礎的必備元件、顯著的生理學變化、實際和潛在應用。乳酸乳球菌在進行有氧呼吸代謝時具有生物量顯著增加、延長存活率、降低氧脅迫和酸脅迫等優(yōu)勢,具有巨大的應用潛力。隨著乳酸乳球菌有氧呼吸代謝的深入研究,我們可以更好地挖掘乳酸乳球菌的代謝模式和開發(fā)乳酸乳球菌的全部潛力。

乳酸乳球菌,有氧呼吸作用,血紅素,遺傳基礎,生理學變化

乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)是球形、不產生孢子的革蘭氏陽性菌,屬于嗜溫菌,最適生長溫度是30 ℃。乳酸乳球菌的特點是菌落較小,有光澤,菌體卵圓形,成對或成串出現,因此最初被分在鏈球菌屬中,直到1985年才被分為乳酸乳球菌屬[1]。乳酸乳球菌可以分為4個亞種,即 乳酸乳球菌乳酸亞種L.lactissubsp.lactis、乳酸乳球菌乳脂亞種L.lactissubsp.cremoris、乳酸球菌霍氏亞種L.lactissubsp.hordniae[2]和L.lactissubsp.tructae[3],乳酸亞種和霍氏亞種間的表型和基因型差異均很小[2]。

乳球菌被廣泛應用于發(fā)酵乳制品的生產,如干酪、酸奶和酸奶油等,另外,它也應用于口服疫苗和外源蛋白的生產。乳酸乳球菌的核心應用是干酪生產的發(fā)酵劑,其中乳脂亞種主要用來生產硬質干酪,而乳酸亞種常被用來生產軟質干酪。乳酸乳球菌能夠賦予發(fā)酵乳制品良好的質地和風味,具有極高的工業(yè)和經濟價值[2]。乳酸乳球菌屬于兼性厭氧型,在發(fā)酵乳制品生產過程中,氧氣會導致乳酸乳球菌細胞損傷甚至死亡,直接影響發(fā)酵過程和風味物質的產生。乳酸乳球菌在進行厭氧發(fā)酵過程中主要以產乳酸為主,而且容易受到環(huán)境中氧氣的脅迫,導致生長緩慢;然而,乳酸乳球菌在進行有氧呼吸代謝時生物量顯著增加、存活率延長、獲得更高的能量、降低細胞受到的酸應激和氧化應激。因此,深入研究乳酸乳球菌的有氧呼吸作用與代謝途徑的關系具有重要的意義。

1 乳酸乳球菌有氧呼吸作用的遺傳基礎

如圖1所示,乳酸乳球菌進行有氧呼吸需要三個主要的跨膜元件:作為電子供體的NADH脫氫酶,由noxA和noxB基因編碼;作為電子傳遞體的甲基萘醌,由menA基因和menFDXBEC基因簇編碼的酶合成;作為電子受體、活性依賴血紅素的bd型細胞色素氧化酶,由cydA,cydB,cydC,cydD基因編碼,cydA和cydB基因是細胞色素氧化酶的結構基因,cydC和cydD基因編碼的復合物主要負責細胞色素氧化酶的組裝和運輸。乳酸乳球菌進行有氧呼吸時需要外源的血紅素,因為它缺乏部分血紅素的合成基因。還有一些乳酸菌缺乏甲基萘醌的合成基因,意味著這些乳酸菌需要2種外源物質才能激活有氧呼吸鏈[4]。因此,乳酸乳球菌進行有呼吸代謝的遺傳基礎是具備編碼NADH脫氫酶的noxA和noxB基因,編碼甲基萘醌合成酶的menA基因和menFDXBEC基因簇以及編碼細胞色素氧化酶的cydA,cydB,cydC,cydD基因。

圖1 乳酸乳球菌的有氧呼吸鏈[5]Fig.1 Respiratory chain components in Lactococcus lactis[5]注:有氧呼吸鏈由電子供體、電子傳遞體和終端氧化酶構成,下方紅色的基因是乳酸乳球菌中的相關基因。

2 有氧呼吸對乳酸菌代謝途徑的主要影響

NADH和NAD+的比例會對代謝途徑中的關鍵酶選擇哪種輔因子產生影響。在糖轉化為丙酮酸的過程NAD+被還原生成NADH,如果要使糖酵解過程連續(xù)進行就需要有NAD+的再生途徑。在發(fā)酵條件下,乳酸乳球菌不具備完整的電子傳遞鏈,也就無法通過呼吸鏈完成NAD+的再生,乳酸乳球菌可以使丙酮酸通過乳酸脫氫酶轉化成乳酸,同時NADH也被氧化生成NAD+,完成了的NAD+再生[6]。當在血紅素和氧氣同時存在下,有氧呼吸鏈可以激活NADH氧化酶的活性,生成NAD+,導致NADH代謝池減少,NADH與NAD+的比值下降,進而引起代謝途徑的改變[7]。

2.1 有氧呼吸中的碳代謝

產生乳酸的乳酸脫氫酶需要依賴NADH作為輔酶,NADH氧化酶將和乳酸脫氫酶競爭NADH。因此,乳酸乳球菌進行有氧呼吸時會比發(fā)酵代謝(發(fā)酵過代謝的過程中有90%代謝的產物是乳酸)產生的乳酸少,而乙酸的產量大大增加,轉變成混合酸發(fā)酵,環(huán)境酸化變慢,最終的pH升高,可以更高效的利用碳源,使得生物量顯著增加。較低的乳酸脫氫酶酶活使得丙酮酸代謝流朝著次級代謝產物乙偶姻和雙乙酰的方向發(fā)展,據報道,乳酸乳球菌在有氧呼吸的過程中有接近20%的葡萄糖轉化為乙偶姻[8]。模式菌株L.lactissubsp.cremorisMG1363和工業(yè)菌株L.lactissubsp.lactisCHCC2862進入有氧呼吸后期時,NAD依賴的丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,Pdh)和乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthase,Als)的活性增加,并且產生雙乙酰和乙偶姻的大量積累,出現二次生長現象[9]。輔因子可以引起很多的代謝途徑發(fā)生改變,因此在有氧呼吸過程中代謝產物的變化的是十分明顯的[10]。

分解代謝控制蛋白(catabolic control protein A,CcpA)在有氧呼吸代謝中起決定性的作用。向處于遲滯期的乳酸乳球菌培養(yǎng)基中加入血紅素會出現生長抑制和細胞的死亡的現象[11]。這種毒性是由于血紅素的提前攝入而激活的氧脅迫引起的。Gaudu等鑒定了血紅素轉運系統(tǒng)的抑制因子,結果發(fā)現它是CcpA激活的靶位點[12]。因此我們推斷CcpA介導的抑制血紅素的攝入是乳酸乳球菌阻止其在對數生長期開始時發(fā)生氧化損傷的一種方式。

2.2 有氧呼吸中的氮代謝

乳酸乳球菌都含有細胞壁粘附蛋白(cell-envelope proteinase,CEP)和很多胞內的肽酶,它們可以降解蛋白質和多肽,以利于其在“貧瘠”的營養(yǎng)條件下進行生長。相比之下,在氨基酸豐富的培養(yǎng)條件下會產生較少的肽酶,肽酶的產量通過全局轉錄調控因子CodY進行控制。最新研究表明還有其他的氮源調控因子,GlnR(氮源調控蛋白)[13]。GlnR通過控制amtB-glnK、glnA、glnP3個基因的表達量來分別控制銨/氨的攝取,谷氨酸合成酶的活力,谷氨酸鹽的轉運的能力[14-15]。.乳酸乳球菌在有氧呼吸條件下氮平衡調控是更加復雜的:乳酸乳球菌在有氧呼吸條件下可能存在另一個氮源平衡的調控因子,因為在CodY發(fā)生缺失突變的情況下,受CodY調控的pepO1基因仍然出現表達上調的現象[16];乳酸乳球菌充分進行有氧呼吸后,通過GlnR誘導amtB-glnK基因表達而使谷氨酸鹽處于較低的水平,而其他的受GlnR調控的基因卻沒有變化[16]。乳酸乳球菌有氧呼吸代謝的進一步研究可能揭示乳球菌其他的氮源平衡調控機制[17]。

一定濃度的脯氨酸在細胞內可以穩(wěn)定蛋白質,防止蛋白質在脅迫條件下失去活力,脯氨酸的外排對與其共生的脯氨酸缺陷型細菌也是十分有利的,另外,脯氨酸的外排也有利于乳酸乳球菌提高抗逆能力,這樣使乳酸乳球菌可以適應不良的環(huán)境,維持良好的生長狀況。乳酸乳球菌進行有氧呼吸時脯氨酸大幅度增加,其原因可能是pepO1基因的表達[16]。肽酶PepO1可以將脯氨酸從含有豐富脯氨酸的多肽中水解出來,通常情況下乳酸乳球菌可以忍受細胞質中高濃度的脯氨酸[18],但是又通過外排作用來控制脯氨酸的平衡,以利于為自身提供合適的生長環(huán)境。

2.3 有氧呼吸作用與血紅素代謝

2.3.1 血紅素的攝取 乳酸乳球菌進行有氧呼吸代謝時涉及血紅素攝取、運輸以及插入到bd型細胞色素氧化酶3個過程[19]。乳酸乳球菌不具備血紅素合成的能力,因此,乳酸菌應該具有從外源攝取血紅素的系統(tǒng)。在乳酸乳球菌攝取血紅素的酶系是由fbuDBAR操縱子編碼的[12]。

2.3.2 血紅素的結合 血紅素插入到細胞色素氧化酶時可能涉及到伴娘蛋白,但是這一類蛋白質在乳酸菌中還沒有被充分證實。烷基過氧化氫還原酶(alkyl hydroperoxide reductase,AhpC)可能是血紅素的伴娘蛋白,AhpC是對氧脅迫的應答蛋白,可以保護細胞內的血紅素避免降解[20]。cydC和cydD基因編碼的復合物也可能是血紅素的伴娘蛋白,cydC和cydD基因編碼的復合物的主要功能是用來組裝細胞色素氧化酶。cydC和cydD基因編碼的復合物可以通過轉運半胱氨酸和谷胱甘肽造成細胞內的還原環(huán)境,這種環(huán)境有利于cydA和cydB基因編碼的復合物和血紅素的結合[21]。

2.3.3 血紅素的調節(jié) 盡管血紅素對有氧呼吸代謝和很多酶反應是至關重要的,但是當血紅素以游離的形式存在于細胞中的時候對細胞是有毒害作用的[22]。血紅素的體內平衡系統(tǒng)可以避免血紅素的毒害作用。乳酸乳球菌缺乏降解血紅素、釋放鐵離子的酶系。但是,乳酸乳球菌編碼了一個血紅素外向流出的系統(tǒng)HrtRBA(過去稱為YgfCBA)[23],這個系統(tǒng)可以向外流出多余的血紅素,避免血紅素在細胞內過量積累,產生毒害作用。另一個控制細胞內血紅素含量的方式就是把它降解。對血紅素有降解作用的酶主要包括血紅素氧化酶和去亞鐵離子酶。乳酸乳球菌中不存在血紅素氧化酶。去亞鐵離子酶可以在不破壞原卟啉環(huán)的基礎上將鐵從原卟啉環(huán)中釋放出來。

2.4 有氧呼吸作用和甲基萘醌代謝

無論乳酸乳球菌選擇哪種能量代謝模式(發(fā)酵代謝或者有氧呼吸代謝),總的甲基萘醌的產量幾乎是一致的。然而,不同鏈長的甲基萘醌的產量是根據生長條件而改變的。在生長后期,氧分壓較低,短鏈甲基萘醌大量積累。

2.5 有氧呼吸作用與氧氣的消耗

2.6 有氧呼吸作用與能量代謝

乳酸乳球菌進行發(fā)酵代謝時需要通過F0F1ATP合成酶迸出質子以避免細胞內形成過酸的環(huán)境而利于生長,乳酸乳球菌通過有氧呼吸作用或許能夠更高效的產生能量,即便這一說法尚未充分證實,但是至少能量無需用來通過F0F1ATP合成酶迸出質子,有氧呼吸鏈就可以在沒有能量消耗的情況下將質子排除至胞外[28]。F0F1ATP合成酶的“角色”還會發(fā)生反轉,可以重新收回有氧呼吸迸出的質子。另外,在生成乙酸的過程中伴隨著ATP的釋放。

3 乳酸乳球菌有氧呼吸代謝的實際應用

乳酸乳球菌可以進行有氧呼吸代謝在實際和商業(yè)的應用中仍然處于發(fā)展階段,表1列出了這項技術的主要應用情況。

表1 乳酸乳球菌有氧呼吸作用的實際和潛在應用[29]

Table 1 Real and potential applications forL.lactisrespiration[29]

應用領域有氧呼吸作用的益處發(fā)酵劑提高活菌數、延長存活性食品產業(yè)雙乙酰和乙偶姻的產量較高可以增強風味生物技術較低的環(huán)境脅迫利于提高蛋白質的產量血紅素誘導的轉運和表達系統(tǒng)健康與飲食通過某些乳酸菌產生維生素K2血紅素在腸道中被利用而減少其毒害作用培養(yǎng)更“強壯”及存活性長的益生菌植物生長作為植物信號分子的乙偶姻可以促進植物生長

3.1 發(fā)酵劑

從工業(yè)的角度來講,活菌數量是衡量發(fā)酵劑性能的主要指標,因此,活菌數量的增加是非常重要的。相比于厭氧發(fā)酵,乳酸乳球菌利用有氧增殖可以使單位的乳酸乳球菌的數量提高102～104倍,一定程度地減少了發(fā)酵劑的生產成本。進行有氧代謝的乳酸菌的長期存活能力是發(fā)酵代謝的106～108倍,能夠延長發(fā)酵劑的貨架期,提高生產效益[30]。有氧呼吸作用還可以減少氧化損傷以及酸脅迫,這2個重要的因素可以提高工業(yè)生產的效率。在標準的乳制品工業(yè)生產條件下,乳酸乳球菌通過有氧呼吸代謝和發(fā)酵代謝生產出的發(fā)酵劑分別用來制作干酪,結果2種發(fā)酵劑生產出來的干酪在感官、水分含量、可溶性氮的總量以及2個月后的pH都毫無區(qū)別[31]。這說明有氧呼吸技術可以用來工業(yè)化生產發(fā)酵劑。丹麥、美國、英國、法國都已經應用該技術生產出來的發(fā)酵劑生產干酪,包括切達干酪、菲達干酪、松軟干酪。2004年,全球有接近100000噸的干酪是通過有氧呼吸技術生產出來的發(fā)酵劑制作的[32]。2005年,法國農業(yè)科學院聯(lián)合科漢森公司申請了有氧呼吸技術生產發(fā)酵劑的方法專利[33]。2008年,科漢森公司,花巨資4千萬歐元建立了一個可以通過有氧呼吸代謝生產發(fā)酵劑的工廠,并且實現了產量的最大化,這也體現了這項技術具有長期發(fā)展的可能[34]。

3.2 食品產業(yè)

雖然乳酸乳球菌有氧呼吸技術具有誘人的前景,但是目前這項技術還沒有應用到食品領域,食品領域面臨著諸多的限制因素,從食品安全到特定人群的需求。卟啉及其衍生物已經通過潔食認證,雙乙酰和乙偶姻可以作為很多食品的天然風味物質,如黃油、餅干、爆米花等。有氧呼吸代謝作用已經被證明可以提高這2種類型的揮發(fā)性產物,從而生產天然的具有芳香味的食品[35]。

3.3 生物技術

因為細菌可以生長在相對便宜、簡單的培養(yǎng)基中,并且蛋白質的純化較為簡單,所以細菌是生產蛋白質的優(yōu)良載體。然而,乳酸乳球菌卻很少用來生產蛋白質,一個很重要的原因就是培養(yǎng)基中酸的大量積累,使某些蛋白質變性。如果可以避免這一點,乳酸乳酸菌將是生產蛋白質很好的選擇,因為乳酸菌在安全方面比較可靠的而且可以分泌較小的蛋白質。目前,相比于傳統(tǒng)發(fā)酵條件下,乳酸菌通過有氧呼吸技術可以弱化酸性環(huán)境,避免上述問題,但是乳酸乳球菌有氧呼吸還沒能提高蛋白質的產量[36-37]。進一步的發(fā)展可能需要優(yōu)化蛋白表達的條件和開發(fā)適當的基因工具。

3.4 健康與飲食

目前,益生菌被廣泛研究并且已投入到商業(yè)產品中,乳酸乳球菌具有益生菌的潛質。含有充分的天然維生素可以提高發(fā)酵食品的健康價值。乳酸乳球菌產生的甲基萘醌可以作為宿主體內的維生素K2的來源[38]。維生素K2的最突出的作用就是有利于骨骼健康,另外還可以降低心血管疾病發(fā)病的風險[39]。很多科學研究者一直致力于如何提高乳酸乳球菌的維生素K2產量[40]。血紅素在食物中普遍存在的,過量的血紅素可能是對人體有毒害作用的。血紅素被乳酸乳球菌攝取和利用會一定程度的減少腸道中游離的血紅素。

3.5 植物健康

細菌可以向植物供給揮發(fā)性的化合物,如乙偶姻。乙偶姻可以促進植物生長[41]。在很多豆科植物中存在可以釋放大量豆血紅蛋白的根瘤,豆血紅蛋白中富含血紅素,血紅素是乳酸乳球菌進行有氧呼吸的重要激活劑,乳酸乳球菌在進行有氧呼吸的過程中可以產生大量的乙偶姻和雙乙酰[35]。當乳酸乳球菌定植于豆科植物的根瘤中便可以轉變成有氧呼吸代謝模式,進而產生的乙偶姻可以作為信號代謝通路的一部分,加速植物的生長。乳酸乳球菌作為植物生長益生菌制劑,可以通過噴灑到植物上以促進生長。盡管這種新的使用方式需要進一步的研究,但是這個嘗試已經為乳酸乳球菌有氧呼吸代謝提供了更加新穎、廣泛的用途。

4 展望

總之,乳酸乳球菌在添加外源血紅素的時候,可以進行有氧呼吸代謝,并且可以增加菌體總量,延長存活率,降低酸和氧的脅迫作用。通過生理實驗與高通量技術相結合的辦法對能和不能進行有氧呼吸的乳酸乳球菌的代謝產物、呼吸鏈相關基因相似性、基因表達等方面的比較將是未來研究的熱點,進而獲知乳酸乳球菌有氧呼吸的條件及ATP的合成機制,為乳酸乳球菌有氧呼吸代謝的工業(yè)化應用提供理論依據,并將這一理論延伸到其他乳酸菌中,應用到工業(yè)生產發(fā)酵劑中,消除氧氣對乳酸菌造成的損傷,提高發(fā)酵劑的產量和生產效率,進一步提高乳酸乳球菌的經濟價值。

[1]Schleifer K H. Recent changes in the taxonomy of lactic acid bacteria[J]. FEMS Microbiology Letters,1987,46(3):201-203.

[2]徐海燕,呂嬙,孫志宏,等. 16S rRNA和recA、groEL基因分類鑒定乳酸乳球菌乳酸亞種和乳脂亞種的比較[J]. 微生物學通報,2013,40(12):2237-2245.

[3]Pérez T,Balcázar J L,Peix A,et al.Lactococcuslactissubsp.tructaesubsp. nov. isolated from the intestinal mucus of brown trout(Salmo trutta)and rainbow trout(Oncorhynchus mykiss)[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology,2011,61(8):1894-1898.

[4]張莉.乳桿菌的有氧代謝與枯草芽孢桿菌益生作用機制研究[D].濟南:山東大學,2012.

[5]Lechardeur D,Cesselin B,Fernandez A,et al. Using heme as an energy boost for lactic acid bacteria[J]. Current opinion in biotechnology,2011,22(2):143-149.

[6]趙蕊.Lactococcuslactis有氧呼吸末期乳酸利用酶的鑒定及其調控機制的研究[D]. 哈爾濱:東北農業(yè)大學,2013.

[7]Pedersen M B,Gaudu P,Lechardeur D,et al. Aerobic Respiration Metabolism in Lactic Acid Bacteria and Uses in Biotechnology[J]. Annual Review of Food Science and Technology,2012,3(1):37-58.

[8]Zhao R,Zheng S,Duan C,et al. NAD-dependent lactate dehydrogenase catalyses the first step in respiratory utilization of lactate by Lactococcus lactis[J]. FEBS Open Bio,2013,3:379-386.

[9]Arioli S,Zambelli D,Guglielmetti S,et al. Increasing the Heme-Dependent Respiratory Efficiency ofLactococcuslactisby Inhibition of Lactate Dehydrogenase[J]. Applied and Environmental Microbiology,2012,79(1):376-380.

[10]Vido K,le Bars D,Mistou M Y,et al. Proteome analyses of heme-dependent respiration inLactococcuslactis:involvement of the proteolytic system[J]. Journal of bacteriology,2004,186(6):1648-1657.

[11]Gaudu P,Lamberet G,Poncet S,et al. CcpA regulation of aerobic and respiration growth inLactococcuslactis[J]. Molecular microbiology,2003,50(1):183-192.

[12]Zomer A L,Buist G,Larsen R,et al. Time-resolved determination of the CcpA regulon ofLactococcuslactissubsp. cremoris MG1363[J]. Journal of bacteriology,2007,189(4):1366-1381.

[13]Jenkins V A,Barton G R,Robertson B D,et al. Genome wide analysis of the complete GlnR nitrogen-response regulon inMycobacteriumsmegmatis[J]. BMC genomics,2013,14(1):301.

[14]Larsen R,Kloosterman T G,Kok J,et al. GlnR-mediated regulation of nitrogen metabolism inLactococcuslactis[J]. Journal of bacteriology,2006,188(13):4978-4982.

[15]Zomer A L,Buist G,Larsen R,et al. Time-resolved determination of the CcpA regulon ofLactococcuslactissubsp. cremoris MG1363[J]. Journal of bacteriology,2007,189(4):1366-1381.

[16]Vido K,le Bars D,Mistou M,et al. Proteome Analyses of Heme-Dependent Respiration inLactococcuslactis:Involvement of the Proteolytic System[J]. Journal of Bacteriology,2004,186(6):1648-1657.

[17]Pedersen M B,Garrigues C,Tuphile K,et al. Impact of Aeration and Heme-Activated Respiration onLactococcuslactisGene Expression:Identification of a Heme-Responsive Operon[J]. Journal of Bacteriology,2008,190(14):4903-4911.

[18]Takagi H. Proline as a stress protectant in yeast:physiological functions,metabolic regulations,and biotechnological applications[J]. Applied Microbiology and Biotechnology,2008,81(2):211-223.

[19]Poulos T L. Heme enzyme structure and function[J]. Chemical reviews,2014,114(7):3919-3962.

[20]Lechardeur D,Fernandez A,Robert B,et al. The 2-Cys Peroxiredoxin Alkyl Hydroperoxide Reductase C Binds Heme and Participates in Its Intracellular Availability inStreptococcusagalactiae[J]. The Journal of Biological Chemistry,2010,285(21):16032-16041.

[21]Borisov V B,Gennis R B,Hemp J,et al. The cytochrome bd respiratory oxygen reductases[J]. Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-Bioenergetics,2011,1807(11):1398-1413.

[22]Gruss A,Gaudu P,Cesselin B,et al. Metalloporphyrin Inducible Promoter[Z]. Google Patents,2014.

[23]Lechardeur D,Cesselin B,Liebl U,et al. Discovery of intracellular heme-binding protein HrtR,which controls heme efflux by the conserved HrtB-HrtA transporter inLactococcuslactis[J]. Journal of Biological Chemistry,2012,287(7):4752-4758.

[24]Reza?ki L,Cesselin B,Yamamoto Y,et al. Respiration metabolism reduces oxidative and acid stress to improve long-term survival ofLactococcuslactis[J]. Molecular microbiology,2004,53(5):1331-1342.

[25]Tachon S,Michelon D,Chambellon E,et al. Experimental conditions affect the site of tetrazolium violet reduction in the electron transport chain ofLactococcuslactis[J]. Microbiology,2009,155(9):2941-2948.

[26]Kreuzer-Martin H W,Ehleringer J R,Hegg E L. Oxygen isotopes indicate most intracellular water in log-phaseEscherichiacoliis derived from metabolism[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2005,102(48):17337-17341.

[27]付龍云.乳酸菌抗氧脅迫及有氧生長的研究[D]. 濟南:山東大學,2013.

[28]Watanabe M,van der Veen S,Nakajima H,et al. Effect of respiration and manganese on oxidative stress resistance of Lactobacillus plantarum WCFS1[J]. Microbiology,2012,158(1):293-300.

[29]Pedersen M B,Gaudu P,Lechardeur D,et al. Aerobic respiration metabolism in lactic acid bacteria and uses in biotechnology[J]. Annual review of food science and technology,2012,3:37-58.

[30]白鳳翎,張柏林,蔣湘寧. 乳酸菌有氧呼吸代謝研究進展[J]. 食品科學,2009(13):262-267.

[31]Pedersen M B,Iversen S L,S?rensen K I,et al. The long and winding road from the research laboratory to industrial applications of lactic acid bacteria[J]. FEMS microbiology reviews,2005,29(3):611-624.

[32]Efler P. TheLactococcuslactisThioredoxin System[Z]. Technical University of Denmark,2013.

[33]Bron P A,Kleerebezem M. Engineering lactic acid bacteria for increased industrial functionality[J]. Bioengineered bugs,2011,2(2):80-87.

[34]王芳,張志軍,李會珍. 乳酸菌呼吸作用研究進展[J]. 安徽農業(yè)大學學報,2014(02):228-233.

[35]Passerini D,Laroute V,Coddeville M,et al. New insights intoLactococcuslactisdiacetyl-and acetoin-producing strains isolated from diverse origins[J]. International journal of food microbiology,2013,160(3):329-336.

[36]Berlec A,Tompa G,Slapar N,et al. Optimization of fermentation conditions for the expression of sweet-tasting protein brazzein inLactococcuslactis[J]. Letters in Applied Microbiology,2008,46(2):227-231.

[37]Mifune J,Grage K,Rehm B H A. Production of Functionalized Biopolyester Granules by RecombinantLactococcuslactis[J]. Applied and Environmental Microbiology,2009,75(14):4668-4675.

[38]Garrigues C,Pedersen M B.Lactococcuslactisstrain with high vitamin K2 production[Z]. Google Patents,2014.

[39]Huang Z,Wan S,Lu Y,et al. Does vitamin K2 play a role in the prevention and treatment of osteoporosis for postmenopausal women:a meta-analysis of randomized controlled trials[J]. Osteoporosis International,2015,26(3):1175-1186.

[40]Garault P,Quere G,Beal C,et al. Method for obtaining variants of lactic acid bacteria usable for producing vitamin K2 and application to the preparation of food products[Z]. Google Patents,2011.

[41]Piccoli P,Bottini R. Terpene production by bacteria and its involvement in Plant Growth Promotion,stress alleviation,and yield increase[J]. Molecular Microbial Ecology of the Rhizosphere335-343,2013.

Impact of aerobic respiration on metabolic pathway ofLactococcuslactisand the prospect of potential application

LI Bai-liang,LIU Fei,YU Shang-fu,DU Jin-cheng,JIN Da, MENG Yue-yue,LI Na,YAN Fen-fen,HUO Gui-cheng*

(Northeast Agriculture University,Key Laboratory of Dairy Science,Ministry of Education,Harbin 150030,China)

Asafacultativeanaerobe,Lactococcus lactishasadoublemetaboliclife,itcouldgrowviaatraditionalfermentationmetabolismunderanaerobicconditions,itsrespirationcouldbeactivatedwhenprovidedwithhemeandaerobicenvironment.Here,thegeneticsrequirements,thedramaticphysiologychanges,theactualandpotentialapplicationofrespirationmetabolisminL. lactiswerediscussed.InL. lactis,bacterialbiomass,long-termsurvival,andresistancetooxygenandacidwereimpactspositivelyandsignificantlybyrespiration,whichhadgreatpotential.WithfurtherresearchofaerobicrespirationmetabolisminL. lactis,newperspectivesonunderstandingL. lactislifestyleandexploitingitsfullpotentialcanbeopened.

Lactococcus lactis;aerobicrespiration;heme;geneticbasis;physiologicalchanges

2015-08-31

霍貴成(1958-),男,博士,教授,研究方向:食品微生物與生物技術,E-mail:guichenghuo@126.com。

*通訊作者:李柏良(1989-),男,博士研究生,研究方向:食品科學,E-mail:15846092362@163.com。

國家自然科學基金(31401512);農業(yè)部公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項，青藏高原特色有機畜產品生產技術與產業(yè)模式(201203009)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)19-0372-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.064