在ε-PL产生菌中,多以链霉菌属为主,主要为白色链霉菌(Streptomyces albulus)[8],但也有研究者报道了其他产生菌,段杉等筛选到一株产ε-PL的灰橙链霉菌(Streptomyces griseoaurantiacus)[9];Li等筛选到一株灰色链霉菌(Streptomyces griseofuscus)[10];Ouyang等从土壤里筛选到一株产ε-PL的北里孢菌[11];此外还有诺氏链霉菌、弗吉尼亚链霉菌、麦角真菌、枯草芽孢杆菌等均能产生ε-PL。对ε-PL的研究在日本进行较早并比较成熟,Kahar等利用筛选得到的白色链霉菌S410经过两段发酵和补料发酵,使ε-PL产量达48.3 g/L[12]。我国的相关研究起步较晚,江南大学、华南理工大学、南京工业大学和南开大学等单位在ε-聚赖氨酸产生菌株的筛选、诱变、分子改良育种及发酵生产上作了大量研究[13-14],但与日本相比仍有一定差距,并且具有自主知识产权的菌株较少。本文主要是从土壤中筛选能够生产ε-PL的放线菌菌株,采用生理生化特征、16S rRNA基因和gyrB基因分析相结合的方法对获得的菌株进行鉴定,并对其代谢产物结构进行鉴定,进一步测定了该ε-PL对不同微生物生长的抑制能力,本文研究结果为该菌株的进一步研究和所产生ε-PL的应用奠定理论基础。
1 材料和方法1.1 材料土样采自河南、河北、江苏等地;以林地、荒草地、菜园为主,取距表层5–15 cm的土壤30 g左右,自然风干3–7 d,研钵碾碎后过筛。
1.2 培养基SG富集培养基(分离培养基) (g/L):甘油10,酵母膏0.10,NaH2PO4 0.68,MgSO4·7H2O 0.25,(NH4)2SO4 0.66,pH 7.0。
LB种子培养基(g/L):蛋白胨10,酵母5,NaCl 5,pH 7.0。
M3G发酵培养基(复筛培养基)(g/L):葡萄糖50,(NH4)2SO4 10,酵母膏5,MgSO4·7H2O 0.5,ZnSO4·7H2O 0.04,FeSO4·7H2O 0.03,K2HPO4 0.8,KH2PO4 1.36,水1 L,pH 6.8 [葡萄糖,酵母膏,(NH4)2SO4分开灭菌]。
1.3 实验方法1.3.1 富集培养:
称取2.5 g土样,置于25 mL SG富集培养基中,30 ℃、220 r/min恒温振荡培养2 d。
1.3.2 初筛和复筛:
对富集培养液进行梯度稀释,取各稀释度的菌悬液0.2 mL分别涂布于加有0.02 g/L的亚甲基蓝的SG分离培养基(含1.8%琼脂粉),30 ℃恒温培养,至菌落长出;观察菌落生长情况,对形成透明圈的菌落,反复划线纯化,直至获得纯种。
挑取获得的菌落接种于LB种子培养基中,30 ℃、220 r/min培养24 h。再将生长好的种子液按6%接种到M3G发酵培养基中,30 ℃、220 r/min发酵96 h,获得发酵产物。
1.3.3 ε-PL的定性和定量检测:
定性检测:ε-PL是生物碱,可与碘化铋钾试剂(dragendorff)反应产生红色沉淀。向发酵上清液中滴加数滴dragendorff试剂,若有砖红色沉淀出现,即为阳性反应,表明有ε-PL产生。
定量检测:参照Itzhaki方法[15]。
1.3.4 菌体形态观察和生理生化特征的测定:
菌体形态观察:收集菌体→加入2.5%戊二醛→4 ℃过夜固定→PBS溶液清洗→乙醇梯度脱水→醋酸异戊酯置换→晾干→离子溅射仪喷银→观察。
生理生化特征的测定参照《常见细菌系统鉴定手册》[16]。
1.3.5 分子生物学鉴定:
挑取待鉴定菌株的纯培养物,按照Ezup柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒的指示提取DNA,并进行PCR扩增。16S rRNA基因序列PCR扩增采用细菌通用引物27F (5′-AGT TTGATCMTGGCTCAG-3′)和1492R (5′-GGTTAC CTTGTTACGACTT-3′);7F (5′-CAGAGTTTGATC CTGGCT-3′)和1540R (5′-AGGAGGTGATCCAGC CGCA-3′)。DNA促旋酶B亚基基因(gyrB)序列PCR扩增采用的引物为5′-ATCGTGCCGTCCGAGA ACAA-3′和5′-CTTCACGAAGTCGACGATGC-3′。PCR扩增采用PCR产物由生工生物工程(上海)股份有限公司完成测序,将该的菌株序列在NCBI数据库中进行BLAST比对,并使用MEGA 6.0软件构建系统发育树。
1.3.6 产物鉴定:
(1) 发酵产物的分离和纯化:发酵液10000 r/min离心10 min除去菌体,将上清液pH调至3.0,70 ℃处理30 min,去除沉淀的杂蛋白,利用弱酸性阳离子树脂D152进行产物吸附,树脂采用蒸馏水及0.2 mol/L醋酸洗去未吸附的杂质,然后用0.1 mol/L盐酸洗脱产物,洗脱液用2 mol/L NaOH溶液中和至pH 7.0后进行减压蒸发浓缩,活性炭过滤脱色后透析袋除盐,收集袋内液体并冷冻干燥,冻干粉用于结构鉴定和抑菌活性分析。
(2) 发酵产物分子量的测定:发酵产物分子量的测定使用基质辅助激光解析飞行时间质谱仪(MALDI-TOF-MS),根据其质谱信息,并与ε-PL标准品对比,确定其分子量范围。
(3) 产物紫外光谱测定:将发酵产物进行紫外全波长扫描,采样范围190–1100 nm,采样间距1 nm,观察其吸收峰特征,并与ε-PL标准品对比。
(4) 产物红外光谱测定:取适量充分干燥发酵产物,采用KBr压片法,测定该物质在4000– 400 cm–1范围内的红外吸收光谱,分辨率1 cm–1,并与ε-PL标准品对比。
(5) 核磁共振波谱测定:将适量充分干燥的发酵产物溶于D2O中,使用400 MHz核磁共振波谱仪测定其1H-NMR和13C-NMR,并与ε-PL标准品对比。
1.3.7 抑菌性试验:
选取经活化后的供试菌(大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、产黄青霉、红曲霉),制成含菌量或孢子含量为106–107个/mL的菌悬液,取1 mL倒于灭菌平皿中,然后再加入冷却至45–50 ℃的培养基30 mL,制成含菌平板,采用打孔法(孔径5 mm)测定ε-PL对不同微生物的抑菌能力。
2 结果和分析2.1 ε-PL产生菌的分离筛选因为ε-PL分子带有正电荷,与亚甲基蓝因静电而产生排斥现象,会使亚甲基蓝变色,从而产生透明圈。在本研究中,富集后的样品在含有0.02 g/L亚甲基蓝的SG分离培养基中培养5–7 d后,在ε-PL产生菌的菌落周围形成透明圈,结果如图 1所示。对初筛到的菌株进行定性检测,其中X-3、X-7、X-18三株菌产ε-PL,这3株菌在高氏一号固体培养基中培养5 d,结果如图 2,可以看到明显菌落形态,菌落隆起,较小而分散呈地衣状,不蔓延,最初表面光滑,然后发育一层短菌丝体,表面呈较紧密的绒状,符合放线菌特征。
图选项
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图选项
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X-3、X-7和X-18经M3G发酵培养基摇瓶发酵96 h后,发酵液采用Itzhaki方法定量检测,ε-PL产量分别为0.13、0.2、0.8 g/L,选择产量较高的X-18进行菌种鉴定以及其产物结构鉴定。
X-18菌分别接种在高氏一号固体培养基(培养5 d)和M3G发酵培养基(培养3 d)中,扫描电镜下观察菌丝形态和孢子的特征。从图 3可以看出其菌丝体直径约0.5 μm,在固体平板中,菌丝和孢子堆砌在一起,相互交叉重叠,大量孢子附着在菌丝上;在液体培养基中,菌丝粗壮,表面略有褶皱,菌丝体形态正常。
图选项
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2.2 X-18菌株的生理生化特征
X-18菌株的生理生化试验包括接触酶试验、革兰氏染色试验、明胶液化试验、淀粉水解试验和糖类利用试验等。由表 1可知,X-18菌株为革兰氏阳性,在温度为15–40 ℃、pH 2.0–10.0之间均能生长,接触酶试验、明胶液化试验、亚硝酸还原和淀粉水解试验为阳性,V-P试验和纤维素利用试验为阴性,能够代谢利用葡萄糖、D-甘露醇和麦芽糖等。
Objects | Results |
15 ℃ growth | + |
40 ℃ growth | + |
pH 2.0 growth | + |
pH 10.0 growth | + |
Catalase test | + |
Gram stain | + |
Gelatin liquefaction test | + |
V-P test | – |
Nitrite reduction test | + |
Utilization of cellulose | – |
Starch hydrolysis test | + |
Utilization of glucose | + |
Utilization of D-mannitol | + |
Utilization of maltose | + |
+: positive reaction; –: negative reaction. |
2.3 X-18菌株的分子生物学鉴定
X-18菌株用DNA提取试剂盒提取DNA后,使用通用引物PCR扩增目的基因,测序由上海生工生物公司完成。所获得16S rRNA基因序列在GenBank数据库进行BLAST比对,并构建系统发育树(图 4),结果显示X-18菌株16S rRNA基因与链霉菌属白色链霉菌Streptomyces albulus NBRC 13410T (NR112393)序列显示出99%的相似性。
图选项
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DNA促旋酶B亚基基因(gyrB)在进化速率上较16S rRNA基因快,常用于属内种水平上的分类鉴定,将已获得的该菌株gyrB基因在NCBI中进行BLAST比对,系统发育树显示其与Streptomyces albulus AS 4.1585T的相应基因序列高度相似,说明该菌株与Streptomyces albulus AS 4.1585T亲缘关系最近(图 5)。综合菌体形态、生理生化特征、16S rRNA基因及gyrB基因鉴定结果,该菌株被鉴定并命名为白色链霉菌X-18 (Streptomyces albulus X-18)。
图选项
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2.4 产物鉴定
2.4.1 紫外全波长扫描:
将纯化得到S. albulus X-18的发酵产物溶于重蒸水中,以重蒸水作对照,用紫外可见分光光度计检测其紫外吸收光谱,测定波长范围为190–1100 nm。紫外全波长扫描结果如图 6所示,该物质的最大吸收峰在192 nm,该图谱与ε-PL的标准品基本一致。
图选项
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2.4.2 红外光谱测定:
为获取该发酵产物的基团信息,取充分干燥的S. albulus X-18发酵产物,采用KBr压片法,使用红外光谱仪测定该物质在4000–400 cm–1范围内的吸收光谱,分辨率1 cm–1。红外光谱如图 7所示,从图中可以看出,3389 cm–1和3258 cm–1左右为N-H的不对称伸缩振动和对称伸缩振动,属第一峰区。1670 cm–1左右为酰胺的特征谱带酰胺Ⅰ带,1510 cm–1左右为N-H弯曲振动(C-N伸缩振动)即酰胺的特征谱带酰胺Ⅱ带,1263 cm–1为C-N伸缩振动(N-H弯曲振动),是酰胺的特征谱带酰胺Ⅲ带。2360 cm–1可能是未能全扣除空气背景中的二氧化碳。红外光谱表明,S. albulus X-18的发酵产物为一种由氨基酸以酰胺键聚合的聚合物,和ε-PL标准品的红外光谱基本相符。
图选项
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2.4.3 质谱分析:
为了获得该发酵产物的分子结构和聚合度,采用MALDI-TOF-MS测定该发酵产物的质谱信息,并与标准品作对比。S. albulus X-18的发酵产物质谱图如图 8所示,从图中可以看出,丰度最高的分子离子峰[M+Na]+在3370–3883之间,并且相邻离子峰之间的质荷比相差128,为赖氨酸缩去1个H2O分子的赖氨酸残基质量(单体赖氨酸分子量为146.19),所合成ε-PL聚合度在25–30个赖氨酸之间。
图选项
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2.4.4 核磁共振波谱(NMR)测定:
将适量充分干燥的发酵产物溶于D2O中,使用400 MHz核磁共振波谱仪测定其1H-NMR和13C-NMR,并与标准品作对比。S. albulus X-18的发酵产物的1H-NMR如图 9所示,图中H的化学位移从低场到高场分别为δH 3.72、3.09、1.68、1.42和1.23,其峰面积比约为1:2:2:2:2,从左到右依次为CHα、CH2ε、CH2β、CH2δ及CH2γ的质子峰,酰胺中的氢与重水的快速交换作用引起在高场信号的消失。以上特征与ε-PL的理论特征和标准品的1H-NMR谱图相符。
图选项
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S. albulus X-18的发酵产物的13C-NMR如图 10所示,C原子化学位移分别为δC 170.66、53.32、38.95、30.89、27.86和21.66,从左到右分别为Cε-NHCO、Cα、Cε、Cβ、Cγ和Cδ,与标准品的13C-NMR谱图特征一致。
图选项
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2.5 抑菌性试验
检测ε-PL对不同种类微生物生长的抑制能力,结果如表 2所示。ε-PL对酿酒酵母、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌及枯草芽孢杆菌等生长有明显的抑制效果,对红曲霉和产黄青霉等霉菌的抑制能力要差一些(表 2)。实验结果显示,ε-PL对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和沙门氏菌的最低抑制浓度(MIC)为40 mg/L,对金黄色葡萄球菌MIC为20 mg/L,对酿酒酵母的MIC为15 mg/L,对产黄青霉和红曲霉的MIC为70 mg/L。
Test organisms (Inhibition zone diameter/mm) | Concentration of ε-PL/(mg/L) | |||||||||
10 | 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 100 | |
Escherichia coli | + | + | + | + | 7.2 | 10.8 | 11.6 | 13.3 | – | – |
Salmonella | + | + | + | + | 6.5 | 9.2 | 10.9 | 13.0 | – | – |
Staphylococcus aureus | + | + | 6.0 | 8.7 | 11.1 | 11.8 | 13.9 | – | – | – |
Bacillus subtilis | + | + | + | + | 5.6 | 6.7 | 9.1 | 11.2 | – | – |
Saccharomyces cerevisiae | + | 5.8 | 7.2 | 9.1 | 12.6 | 13.4 | 14.8 | – | – | – |
Penicillium chrysogenum | + | + | + | + | + | + | + | 5.6 | 6.8 | 8.1 |
Monascus | + | + | + | + | + | + | + | 6.3 | 8.3 | 9.4 |
The diameter of the pore was 5 mm. +: no inhibition zone; –: the experiment was not performed. |
3 讨论
目前,日本和我国对ε-PL产生菌的研究较多,发酵产量较高的菌株主要集中在链霉菌、枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和北里孢菌,但产量较高的菌株大多数为日本研究者所筛选,如摇瓶发酵ε-PL产量最高的菌株Streptomyces aureofaciern为日本研究者所筛选,产量达到了4.5 g/L,而我国摇瓶发酵产量最高的菌株Streptomyces sp. AF3-44为3.11 g/L[17]。不同的链霉菌发酵生产ε-PL的能力差别较大,最低的不到1 g/L,最高的可达到4.5 g/L,因此,生产性能良好的菌株是提高ε-PL产量的基础。在本研究中,以亚甲基蓝为指示剂,从土壤中分离出3株具有ε-PL生产能力的放线菌,其中X-18菌株的ε-PL发酵产量最高,为0.8 g/L,根据该菌的菌体生理生化特征、16S rRNA基因和gyrB基因序列比对,鉴定该菌株为白色链霉菌,该菌的ε-PL初始产量高于已报道的 S. albulus No.410 (0.5 g/L),但与S. albulus NBRC 14147 (2.8 g/L)相比仍有差距[18]。
不同ε-PL产生菌株所合成ε-PL的聚合度不同,ε-PL聚合度大小与抑菌活性密切相关,分子量在3600–4300 Da间的ε-PL具有高抑菌活性[19],当分子量小于1300 Da时,ε-PL失去抑菌活性[20],通常25–35个氨基酸残基的ε-PL用作食品防腐剂。在本研究中,通过对S. albulus X-18发酵产物的紫外光谱、红外光谱、质谱和核磁谱等波谱学特征进行分析,并与ε-P标准品比较,波谱特征基本一致,确定该代谢产物为ε-PL,且该ε-PL的聚合度在25–30之间,抑菌能力实验显示该物质具有较好的抑菌能力,特别是对细菌和酿酒酵母的生长抑制能力较好,具有良好的应用前景。但是该菌的ε-PL产量较低,在后期的研究中将对该菌进行选育,并优化其培养基组成和调控其发酵条件,为其工业化应用奠定基础。
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