乳酸菌因其獨特、多樣的功能特性，被廣泛應用于乳品工業、大健康產業、家畜養殖、作物種植、環保產業、合成生物學及活菌藥物研發等多個領域。目前我國乳酸菌市場規模已達1200億元，年復合增長率高達12%，預計2030年將增至3000億元。文章依托內蒙古農業大學建設的乳酸菌種質資源庫與基因組數據庫，系統綜述庫藏乳酸菌菌株的分類學特征、遺傳多樣性、功能基因特征及產業化應用潛力，明確資源優勢向產業競爭力轉化的關鍵環節與技術路徑。
1. 全球最大乳酸菌種質資源庫的構建
1.1 樣本采集
自1989年以來，內蒙古農業大學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個國家系統采樣，累計收集樣本6663份，覆蓋337類宿主生境，包括發酵食品、人體微生態、動物消化道以及環境樣本。
1.2 乳酸菌分離、鑒定和保藏
內蒙古農業大學乳酸菌研究團隊累計分離、鑒定并保藏乳酸菌55328株，建立了內蒙古農業大學乳酸菌種質資源庫（LABCC）。藏菌量已超過美國標準生物品收藏中心（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）和中國工業微生物菌種保藏管理中心（CICC）等國際知名機構，成為目前已知規模最大的乳酸菌種質資源庫，并于2022年入選首批國家農業微生物種質資源庫名單。
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境及復雜營養需求，開發了“定向營養富菌”培養組學技術，大幅提升了難培養乳酸菌的分離效率。同時，利用超低溫凍干和液氮保藏技術，確保菌株在長期儲存過程中的活性與遺傳穩定性。依托上述技術，從自然發酵食品、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研究和產業化奠定了重要基礎。
2. 全球最大乳酸菌基因組數據庫的構建
2.1 乳酸菌基因組數據庫的創建歷程
截至2025年3月，內蒙古農業大學乳酸菌研究團隊已完成LABCC中30168株菌株的全基因組測序，并整合公共數據庫中32302個乳酸菌分離株基因組，以及基于宏基因組數據組裝獲得的52408個非培養乳酸菌基因組，經過嚴格的質量控制與元數據標準化處理，剔除3819個低質量基因組，最終篩選出118697個高質量基因組，構建了乳酸菌基因組數據庫（iLABdb）。iLABdb收錄的乳酸菌基因組數量已超過美國國家生物技術信息中心（NCBI）與歐洲核酸數據庫（ENA）等國際主流數據庫中乳酸菌基因組，成為目前已知的全球最大乳酸菌基因組數據庫。
2.2 乳酸菌物種多樣性與功能基因資源解析
在系統分類學層面，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，構成了資源庫的核心類群。基因組數量超過100的物種共有90個，占總基因組數的68%。基因組數量優勢類群主要為乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬和鏈球菌屬，優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、乳酸合成及細胞分裂等核心代謝過程。功能基因組學分析顯示，平均每個基因組包含404個碳水化合物代謝相關基因與53條完整代謝通路，并編碼3個次級代謝產物合成基因簇，涉及抗菌活性物質、抗癌化合物及信號分子等多種功能，提示乳酸菌在生態互作與生物活性方面具有廣闊潛力。
2.3 乳酸菌的廣泛生態適應性與應用前景
從數據庫中篩選19699株食物來源的乳酸菌基因組，構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%），發現乳酸菌具有顯著的跨生態位適應性，能夠在食品、人體、動物以及自然環境等多種生態系統間維持動態的微生物循環網絡，是驅動大健康生態系統穩態及功能的關鍵核心微生物類群。
在乳酸菌與人類健康的關聯性研究方面，對9931例涉及32種疾病的人類腸道宏基因組樣本進行系統分析，解析了乳酸菌在不同疾病狀態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的重要指征，還可為臨床干預及益生菌篩選提供科學依據。
3. 乳酸菌篩選技術與功能菌株產業化應用
在菌株篩選技術方面，依托iLABdb中的基因組數據并結合機器學習方法，開發了基于人工智能的益生乳酸菌精準篩選平臺iProbiotics。在健康關聯預測方面，結合乳酸菌基因組與人類腸道宏基因組數據，建立了iHealthPredict健康預測模型。
在“傳統+智能”協同篩選的模式下，團隊已從LABCC中篩選出104株優良菌株，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株已實現產業化應用，覆蓋乳制品生產、環境修復、綠色種植及健康養殖等多個領域，形成了從資源挖掘到產品轉化的全鏈條創新示范。
4. 乳酸菌資源與數據的開放共享
LABCC作為我國乳酸菌種質資源共享的重要樞紐，近年來持續面向45家高等院校與科研機構，以及131家企業提供共享服務。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、大健康、畜牧養殖及農業可持續發展等多領域的基礎研究與產品開發。與此同時，乳酸菌基因組數據庫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據服務網絡。
5. 展望
未來，乳酸菌資源與數據平臺的發展將持續向規模化、智能化和國際化邁進。依托現有的乳酸菌種質資源庫（LABCC）與基因組數據庫（iLABdb），將不斷擴充菌株的數量與來源多樣性，進一步提升資源庫的代表性與獨特性。在數據維度，將系統整合菌株的表型特征、代謝譜、耐受性指標及功能驗證等核心信息，形成標準化、可追溯的菌株特征檔案庫。
在技術應用方面，結合人工智能與機器學習技術，建立功能預測、生態適應性評估及合成生物學設計一體化的解析模型，顯著提升功能菌株的篩選、優化與應用轉化效率。同時，將構建可持續運行的乳酸菌智能云平臺，實現菌株與數據的集中存儲、高性能計算、可視化分析及遠程協作，為科研和產業用戶提供全流程技術支撐。
在戰略對接方面，將緊密圍繞國家重點發展方向，推動乳酸菌在食品、營養、環境及生物醫藥等領域的深度應用與產業化升級。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，形成跨區域、跨學科的開放共享體系，打造具有全球影響力的乳酸菌科技創新與應用高地。
原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=4QAaWarC2DQuRb_-m393hy-EsW1LM6UrjzM6UCuZNurJVYgRsnIAq5DpELgxLmILSYniu_f6zNSWvVZAnskBXqqw6TPbWpAiXGKuBwZV_HNdHnuCFx8MOxCEUSfdufaofHOAKOMeHQdJpax1KEU-Hkk55Hv8SbiU11wCqw74HUvFcyRQOxCZyQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
