乳桿菌的生長。

圖3. 碳源對乳桿菌科及其他人體共生菌生長的影響。在1% 2'-巖藻糖基乳糖(2'-FL)、3-巖藻糖基乳糖(3-FL)、二巖藻糖基乳糖(DFL)、巖藻糖(Fuc)、商品化低聚半乳糖(GOS-c)、富集低聚糖的GOS(GOS-p)、乳糖(Lac)和葡萄糖(Glu)存在條件下，(a)乳桿菌科及(b)其他人體共生菌或食品相關細菌的生長曲線下面積(AUC)評估。通過減去未添加碳水化合物的生長培養基中細菌的AUC值對AUC值進行標準化。生長數據采用色標編碼：深紅色代表強烈生長（AUC 1000-1700；500-999；200-499；100-199；36-99；0-35），深藍色代表生長弱于基礎培養基（AUC-110至-1）。細菌菌株縮寫參見表2。


表2：細菌菌株，包括菌株來源、培養基和培養條件
細菌物種 菌株名稱 菌株來源 模式菌株/益生菌 培養基 溫度(°C) 氣氛 縮寫
青春雙歧桿菌 DSM 20083 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Bado_TS
動物雙歧桿菌乳亞種 DSM 10140 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Blac_TS
動物雙歧桿菌乳亞種 Bi-07 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Blac_Bi-07
動物雙歧桿菌乳亞種 Bl-04 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Blac_Bl-04
動物雙歧桿菌乳亞種 B420 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Blac_B420
動物雙歧桿菌乳亞種 HN019 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Blac_HN019
兩歧雙歧桿菌 DSM 20456 DSMZ 模式菌株 改良RCM 37 厭氧 Bbif_TS
兩歧雙歧桿菌 Bb-06 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Bbif_Bb-06
短雙歧桿菌 DSM 20213 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Bbre_TS
短雙歧桿菌 Bb-03 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Bbre_Bb-03
鏈狀雙歧桿菌 DSM 16992 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Bcat_TS
長雙歧桿菌長亞種 DSM 20219 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Blon_TS
長雙歧桿菌長亞種 Bl-05 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Blon_Bl-05
長雙歧桿菌嬰兒亞種 DSM 20088 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Binf_TS
長雙歧桿菌嬰兒亞種 Bi-26 DGCC 益生菌 58 37 厭氧 Binf_Bi-26
假小鏈雙歧桿菌 DSM 20438 DSMZ 模式菌株 58 37 厭氧 Bpse_TS
干酪乳桿菌 DSM 20011 DSMZ 模式菌株 MRS 30 好氧 Lcas_TS
干酪乳桿菌 Lc-11 DGCC 益生菌 MRS 30 好氧 Lcas_Lc-11
副干酪乳桿菌 DSM 5622 DSMZ 模式菌株 MRS 37 厭氧 Lpar_TS
副干酪乳桿菌 Lpc-37 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lpar_Lpc-37
鼠李糖乳桿菌 DSM 20021 DSMZ 模式菌株 MRS 37 厭氧 Lrha_TS
鼠李糖乳桿菌 HN001 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lrha_HN001
鼠李糖乳桿菌 ATCC 53103, GG DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lrha_ATCC53103
鼠李糖乳桿菌 Lr-32 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lrha_Lr-32
植物乳桿菌 DSM 20174 DSMZ 模式菌株 MRS 37 厭氧 Lpla_TS
植物乳桿菌 Lp-115 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lpla_Lp-115
嗜酸乳桿菌 DSM 20079 DSMZ 模式菌株 MRS 37 厭氧 Laci_TS
嗜酸乳桿菌 NCFM DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Laci_NCFM
嗜酸乳桿菌 La-14 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Laci_La-14
德氏乳桿菌保加利亞亞種 Lb-87 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lbul_Lb-87
加氏乳桿菌 Lg-36 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lgas_Lg-36
短乳桿菌 Lbr-35 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lbre_Lbr-35
唾液乳桿菌 Ls-33 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lsal_Ls-33
發酵粘液乳桿菌 SBS-1 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lfer_SBS-1
羅伊氏粘液乳桿菌 1E1 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Lreu_1E1
融合魏斯氏菌 DSM 20196 DSMZ 模式菌株 MRS 30 好氧 Wcon_TS
脆弱擬桿菌 DSM 2151 DSMZ 模式菌株 PYG 37 厭氧 Bfra_TS
多形擬桿菌 DSM 2079 DSMZ 模式菌株 PYG 37 厭氧 Bthe_TS
普通擬桿菌 DSM 1447 DSMZ 模式菌株 PYG 37 厭氧 Bvul_TS
乳酸乳球菌乳亞種 Ll-23 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Llac_Ll-23
唾液鏈球菌嗜熱亞種 St-21 DGCC 益生菌 MRS 37 厭氧 Sthe_St-21
艱難梭菌 DSM 1296 DSMZ 模式菌株 改良RCM 37 厭氧 Cdif_TS
艱難梭菌 CCUG 46468 CCUG - 改良RCM 37 厭氧 Cdif_CCUG46468
艱難梭菌 NCTC 13574 NCTC - 改良RCM 37 厭氧 Cdif_NCTC13574
產氣莢膜梭菌 E-98861 T VTTCC 模式菌株 改良RCM 37 厭氧 Cper_TS
阪崎克羅諾桿菌 DSM 4485 DSMZ 模式菌株 TSB 30 好氧 Csak_TS
阪崎克羅諾桿菌 BAA-894 ATCC - TSB 37 好氧 Csak_BAA-894
大腸桿菌 O1:K1:H7 E94564T VTTCC 模式菌株 TSB 37 好氧 Ecol_TS
大腸桿菌 O111:K58(B4):H2 CCUG 42878 CCUG - TSB 37 好氧 Ecol_CCUG42878
大腸桿菌 O142:K86(B):H6 CCUG 11442 CCUG - TSB 37 好氧 Ecol_CCUG11442
大腸桿菌 O111:K58(B4):H- CCUG 11412 CCUG - TSB 37 好氧 Ecol_CCUG11412
大腸桿菌 O20:K84:H26 NCTC 10865 NCTC - TSB 37 好氧 Ecol_NCTC10865
腸道沙門氏菌腸道亞種；血清型鼠傷寒 DSM 17058 DSMZ 模式菌株 TSB 37 好氧 Sent_TS
腸道沙門氏菌腸道亞種；血清型波那 NCTC 4840 NCTC - TSB 37 好氧 Sent_NCTC4840
腸道沙門氏菌腸道亞種；血清型鼠傷寒 NCTC 13954 NCTC - TSB 37 好氧 Sent_NCTC13954
福氏志賀氏菌 DSM 4782 DSMZ 模式菌株 TSB 37 好氧 Sfle_TS
福氏志賀氏菌 CCUG 39080 CCUG - TSB 37 好氧 Sfle_CCUG39080

注：T=溫度，單位為攝氏度；*預培養條件；58=改良DSMZ雙歧桿菌培養基58；PYG=蛋白胨、酵母提取物、葡萄糖培養基；MRS=De Man、Rogosa和Sharpe培養基；改良RCM=改良強化梭菌培養基；TSB=胰蛋白酶大豆肉湯；ATCC=美國模式培養物保藏中心；DSMZ=德國微生物和細胞培養物保藏中心；DGCC=杜邦培養物保藏中心；VTTCC=VTT技術研究中心芬蘭培養物保藏中心；NCTC=英國公共衛生署國家模式培養物保藏中心；CCUG=哥德堡大學培養物保藏中心。

乳桿菌科家族的碳水化合物利用以熱圖形式顯示在圖3a中。從每種碳源的AUC中，減去了未添加碳水化合物的培養基的AUC。然后根據生長模式的相似性對乳桿菌科細菌菌株進行聚類，形成了三個主要組。第一個簇在兩種GOS產品、乳糖和葡萄糖上均表現出劇烈生長，僅包括唾液乳桿菌Ls-33、羅伊氏粘液乳桿菌1E1（Lreu_1E1）和植物乳桿菌Lp-115（Lpla_Lp-115）。影響其他兩個簇（圖3a）聚類的主要因素是無法利用乳糖（最下面的簇，6種細菌）和3-FL與GOS-p利用的差異（第二個簇，11種細菌）。


19種來自乳桿菌科的細菌均未在2'-FL或DFL上生長（圖3a）。正如Yu等人先前所示，鼠李糖乳桿菌GG（Lrha_ATCC53103）在我們的研究中也未在2'-FL、3-FL或DFL上生長。然而，我們觀察到其余三種研究的鼠李糖乳桿菌菌株（Lrha_TS、Lrha_HN001和Lrha_Lr-32）在3-FL上有輕微生長，這可能是由于乳糖利用的差異。3-FL也支持干酪乳桿菌（Lcas_Lc-11）、植物乳桿菌、發酵粘液乳桿菌（Lfer_SBS-1）、唾液乳桿菌和羅伊氏粘液乳桿菌（Lreu_1E1）的輕微生長。先前已顯示干酪乳桿菌BH23可以在巖藻糖基-1,3-N-乙酰葡糖胺上生長。然而，此處研究的干酪乳桿菌菌株（Lcas_TS和Lcas_Lc-11）未在2'-FL和DFL上生長，僅觀察到3-FL上的弱生長。


鼠李糖乳桿菌菌株GG（Lrha_ATCC53103）和HN001（Lrha_HN001）是本研究中乳桿菌科中唯一在巖藻糖上生長良好的細菌。Thongaram等人也報道了類似的發現。然而，這種現象在所有研究的鼠李糖乳桿菌菌株中并不一致，因為其他兩種鼠李糖乳桿菌菌株（Lrha_TS和Lrha_Lr-32）未在巖藻糖上生長。


先前在乳桿菌對兩種GOS產品及其商業和純化版本的利用中發現了物種和菌株特異性差異。根據早期的一項研究，羅伊氏粘液乳桿菌似乎能有效利用GOS、葡萄糖和乳糖。在當前研究中，羅伊氏粘液乳桿菌（Lreu_1E1）在兩種GOS產品和葡萄糖上也生長良好。此處研究的大多數乳桿菌科菌株無法像利用商業GOS那樣好地利用純化GOS。嗜酸乳桿菌和副干酪乳桿菌的模式菌株（分別為Laci_TS和Lpar_TS）在GOS或乳糖上僅微弱生長或根本不生長，而益生菌菌株嗜酸乳桿菌La-14（Laci_La-14）、嗜酸乳桿菌NCFM和副干酪乳桿菌Lpc-37（Lpar_Lpc-37）在GOS和乳糖上生長良好，表明嗜酸乳桿菌和副干酪乳桿菌物種在GOS和乳糖利用方面存在菌株依賴性變異。


已知嗜酸乳桿菌NCFM表達LacS作為將GOS和乳糖轉運到細菌細胞中的唯一轉運蛋白，這可能解釋了NCFM與模式菌株在GOS和乳糖利用方面的差異。早期，另外兩種嗜酸乳桿菌菌株和嗜酸乳桿菌NCFM在三種不同GOS產品上生長良好，而在另一項研究中，三種不同嗜酸乳桿菌菌株在GOS利用方面存在差異。植物乳桿菌模式菌株未在乳糖上生長，而植物乳桿菌Lp-115（Lpla_Lp-115）在乳糖上生長良好。融合魏斯氏菌模式菌株（Wcon_TS）僅利用葡萄糖和商業GOS。


除了證實先前使用HMOs和GOS的生長研究外，我們的結果突出了碳水化合物利用的菌株特異性差異。這些結果證明了物種內部甚至同一物種菌株之間在碳源利用和生長強度方面的差異。


擬桿菌和乳桿菌目的生長。


我們的研究還包括了一些人類共生菌的模式菌株。它們的碳水化合物利用結果以熱圖形式顯示在圖3b中。在本研究中，脆弱擬桿菌（Bfra_TS）、普通擬桿菌（Bvul_TS）和多形擬桿菌（Bthe_TS）的模式菌株在HMOs 2'-FL、3-FL和DFL上生長良好，與在葡萄糖和乳糖上觀察到的生長相似，這與先前的研究一致。類似地，我們發現所有研究的擬桿菌菌株在商業和純化GOS上都生長良好，這也與先前對多形擬桿菌、脆弱擬桿菌和普通擬桿菌的研究一致。


相反，一些先前的研究表明，在臨床環境中，GOS消耗導致擬桿菌屬豐度下降，并且在體外模擬實驗中，通過微陣列評估，細胞數量減少。多形擬桿菌以其能夠利用多個多糖利用位點在許多復雜的宿主和膳食碳源上良好生長而聞名。這與我們的發現一致，即多形擬桿菌在所有碳源上都生長良好，并且不同碳源之間的生長變化相對較小。碳源有助于各種PULs的表達。多形擬桿菌在GOS上的生長激活了與粘蛋白聚糖和半乳聚糖利用相關的PULs，包括糖苷水解酶GH53（半乳聚糖酶），該酶在細胞外將較長的GOS分子降解為較小的分子。先前已顯示擬桿菌屬在HMOs上的生長誘導了與粘蛋白利用相關的PULs。與雙歧桿菌相反，所有評估的擬桿菌屬菌株都能夠利用巖藻糖。


該組中的另外兩種細菌物種，乳酸乳球菌乳亞種Ll-23（Llac_Ll-23）和嗜熱鏈球菌St-21（Sthe_St-21），屬于乳桿菌目，因此與其他乳桿菌具有共同特征。它們未在測試的HMOs或巖藻糖上生長。嗜熱鏈球菌St-21（Sthe_St-21）在葡萄糖、乳糖和GOS-c上生長良好，盡管在GOS-p上生長減少。先前一項關于嗜熱鏈球菌FUA3194的研究也顯示其水解GOS，但不水解HMOs。乳酸乳球菌Ll-23（Llac_Ll-23）未在GOS-p上生長，僅在葡萄糖、乳糖和GOS-c上生長。類似地，先前一項研究發現20種乳酸球菌菌株中均未在galactosyl lactose上生長且無β-半乳糖苷酶活性。

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