陳婷婷,王麗芳,王 琪,韓建榮
(1.山西大學(xué)生物技術(shù)研究所,山西太原030006;2.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西太原030006)
蘆筍(Asparagus officinalis L.)為百合科天門冬屬多年生草本植物,又名石刁柏、龍須菜,原產(chǎn)于歐洲、北非和西亞[1-3]。因其較高的藥食兼用價(jià)值而在我國各地廣泛栽培,山西是全國最大的蘆筍產(chǎn)區(qū)[4]。蘆筍的可食部分是其嫩莖,每年過了收獲季節(jié)以后,蘆筍的地上莖仍要繼續(xù)生長,可長到1.5~2.0 m,繼續(xù)生長的地上莖稱為蘆筍老莖。蘆筍老莖主要由纖維素(40.2%)、半纖維素(19.8%)和木質(zhì)素(17.9%)構(gòu)成[5]。與蘆筍嫩莖相比,老莖由于木質(zhì)纖維化程度較高,失去了食用價(jià)值,致使大量的蘆筍老莖收割后沒有被充分利用,只能任其自然腐敗或直接焚燒,這樣既造成資源的極大浪費(fèi),也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。
針對(duì)如何利用蘆筍老莖資源的問題,山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室開展了一系列研究工作,已經(jīng)證明了蘆筍老莖經(jīng)堆制發(fā)酵后可用來栽培姬松茸(Agaricus blazei)[6]。研究表明,嗜熱放線菌是蘑菇堆肥高溫期的主要優(yōu)勢菌群[7-8]。蘑菇堆肥是一個(gè)復(fù)雜而又獨(dú)特的微生態(tài)系統(tǒng),是一種由群落結(jié)構(gòu)演替非常迅速的多個(gè)微生物群體共同作用有效分解有機(jī)物的動(dòng)態(tài)生化過程[9]。目前,有關(guān)于雙孢菇培養(yǎng)料(主要是麥稈)發(fā)酵過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的研究[10],還有針對(duì)豬糞堆肥[11]、污泥[12]、生活垃圾堆肥[13]等微生物群落的研究,而針對(duì)蘆筍老莖堆肥的研究還未見報(bào)道。
本試驗(yàn)對(duì)蘆筍老莖堆肥中的嗜熱放線菌進(jìn)行了初步的分離鑒定研究,旨在為制備蘆筍老莖堆料發(fā)酵菌劑及調(diào)控堆料過程提供理論依據(jù)。
1.1.1 堆肥配方 蘆筍老莖70%,棉籽殼20%,豆餅7.5%,過磷酸鈣1%,石膏粉1%,尿素0.5%(要求蘆筍老莖及其他輔料無霉變,切成20 cm左右的小段,然后將蘆筍老莖浸透水,預(yù)濕后與其他輔料攪拌建堆)。料堆一般底寬120~150 cm,上寬80~90 cm,高80~100 cm。
1.1.2 堆制過程 按2次發(fā)酵法[14-15]發(fā)酵堆料,室外前發(fā)酵18 d,共翻堆4次;移入室內(nèi)進(jìn)行后發(fā)酵,60℃保持10 h,50℃保持4 d。后發(fā)酵結(jié)束后,調(diào)整培養(yǎng)料的含水量到65%,pH值為7.0~7.5。
1.1.3 采樣 以蘆筍老莖堆肥的堆體四周及中心處為采樣點(diǎn),采樣深度為20 cm左右,采用四分法采樣。在前發(fā)酵每次翻堆前和后發(fā)酵前后進(jìn)行采樣,共采6次,即建堆后第4天(A)、第6天(B)、第9天(C)、第11天(D)、第15天(E)和第22天(F),于4℃保存。試驗(yàn)前將樣品風(fēng)干2 d,放入烘箱,置于120℃下1 h[16-17]。
1.1.4 培養(yǎng)基 高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基:可溶性淀粉20 g,NaCl 0.5 g,KNO31 g,K2HPO40.5 g,MgSO40.5 g,F(xiàn)eSO40.01 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 000 mL,pH值7.2~7.4。121℃滅菌20 min。倒平板時(shí),每200 mL培養(yǎng)基添加10 mg的K2Cr2O7[18]作抑菌劑。
1.2.1 菌株的分離 準(zhǔn)確稱取樣品1 g,加入裝有99 mL無菌水并帶有玻璃珠的三角瓶中,振蕩約30 min,吸取1 mL樣品懸液加入裝有9 mL無菌水的試管中,吹洗多次,讓菌液混合均勻,即成10-3稀釋液。依此類推,分別制成10-4,10-5稀釋液。分別吸取10-3,10-4,10-5懸液0.2 mL涂布于高氏Ⅰ號(hào)平板上,45℃培養(yǎng)3 d,觀察并挑取單菌落,在平板上再劃線純化。將純化后的菌株分別按“樣品編號(hào)+G(代表放線菌)+數(shù)字”編號(hào)。
1.2.2 菌株的鑒定
1.2.2.1 形態(tài)觀察 平板劃線培養(yǎng)3 d后,觀察菌落的大小、形態(tài)、正反面顏色、厚薄、質(zhì)地、表面狀況及是否產(chǎn)色素。插片培養(yǎng)2 d后,觀察菌絲、孢子絲的形狀和特點(diǎn)。美蘭染色參照文獻(xiàn)[19]。
1.2.2.2 16SrDNA的擴(kuò)增 選取菌落形態(tài)有明顯區(qū)別的放線菌菌株通過菌落PCR法[20]提取16SrDNA,擴(kuò)增引物采用16SrDNA通用引物:27F,5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′;1541R,5′-ACGGTTACCTTGTTACGACTT-3′。PCR擴(kuò)增體系:10×TransEasy Taq Buffer 2.5μL,dNTP1μL,引物(20μmol/L)各2.5μL,Trans Easy Taq DNA polymerase 0.5μL,加模板7.5μL,ddH2O補(bǔ)至25μL。各試劑加好后,輕輕混勻。PCR擴(kuò)增條件:預(yù)變性94℃,5 min;變性94℃,30 s;退火55℃,30 s;延伸72℃,90 s;35個(gè)循環(huán)后,72℃保溫10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物和回收產(chǎn)物均經(jīng)1%的瓊脂糖凝膠電泳分離,UV凝膠成像系統(tǒng)檢測。
1.2.2.3 16SrDNA片段PCR產(chǎn)物的連接、轉(zhuǎn)化、測序 向無菌離心管中加入目的片段16SrDNA回收產(chǎn)物4μL和載體1μL,混勻后于25℃反應(yīng)30 min,4℃反應(yīng)16 h進(jìn)行連接。將5μL連接產(chǎn)物全部加入感受態(tài)細(xì)胞(100μL)中,溫和混勻,冰浴放置30 min;迅速轉(zhuǎn)入42℃水浴,熱激30 s,再迅速冰浴冷卻2 min后,加入900μL的LB培養(yǎng)基,37℃下90 r/min振蕩培養(yǎng)50 min;然后離心,棄掉大部分上清,剩下的用移液器吹勻,加入10μLIPTG(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)和20μL X-gal(20 mg/mL),混勻后輕輕涂到LB平板(含有氨芐青霉素);37℃培養(yǎng)12~16 h后可見藍(lán)色菌落。挑取白色菌落接種于LB液體培養(yǎng)基(含有氨芐青霉素),37℃下200 r/min過夜培養(yǎng);將培養(yǎng)好的菌液分成2管,1管提取質(zhì)粒DNA作酶切篩選用,1管留作測序用。Eco RI限制性內(nèi)切酶酶切篩選:向無菌EP管中依次加入8μL ddH2O,0.5μL Eco R I Buffer,1μL質(zhì)粒DNA,0.5μL Eco R I,于37℃反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束后,產(chǎn)物經(jīng)0.7%瓊脂糖凝膠電泳檢測,含有目的片段重組子的大小共約4 600 bp。選取含目的片段的重組子送華大基因研究中心進(jìn)行測序。本試驗(yàn)樣品來自于蘆筍老莖堆肥,克隆編號(hào)方法采用“ASC+重組子號(hào)”。
1.2.2.4 菌株16SrDNA序列的同源性分析 將測序獲得的陽性克隆的16SrDNA序列運(yùn)用CHECK_CHIMERA程序在線進(jìn)行嵌合體檢驗(yàn)并去除明顯的Chimera序列。在GenBank數(shù)據(jù)庫中用VECTOR SCREEN程序剔除載體序列,經(jīng)BLAST比對(duì)后對(duì)菌株進(jìn)行同源性分析。將獲得的序列與GenBank數(shù)據(jù)庫中最相似的序列一起使用軟件Clustal X 1.8和MEGA 3.1,采用鄰近法(Neighor Joining),在Kimura雙參數(shù)模型(Kimura 2-parameter)下,繪制相關(guān)菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹和Bootstrap檢驗(yàn)系統(tǒng)樹,自展值設(shè)為1 000。
1.2.2.5 16SrDNA序列在GenBank數(shù)據(jù)庫中的登錄號(hào) 本研究所獲得16SrDNA序列已提交Gen-Bank數(shù)據(jù)庫,登錄號(hào)分別為:JQ358562,JQ358563,JQ358585,JQ358587,JQ358588,JQ358594~JQ35 8596,JQ358598,JQ358599,JQ358602,JQ358607,JQ358565,JQ358567,JQ358569,JQ358572~JQ35 8575,JQ358577,JQ358578,JQ358580,Q358583。
采用稀釋涂布法從蘆筍老莖堆肥的6個(gè)樣品中分離到菌落形態(tài)有明顯區(qū)別的23個(gè)放線菌菌株,其中,A樣品3株,B樣品8株,C樣品1株,D樣品2株,E樣品3株,F(xiàn)樣品6株。編號(hào)分別為:AG1~AG3;BG1~BG8;CG1;DG1,DG2;EG1~EG3;FG1~FG6。
2.2.1 形態(tài)觀察 23株放線菌經(jīng)形態(tài)觀察都屬于鏈霉菌屬(Streptomyces),都有螺旋或(和)波曲形狀的孢子絲;基絲生長良好,多分支,不形成橫隔,也不斷裂。菌落形狀以圓形為主,其中,BG7菌落是無規(guī)則形;菌落正面顏色以不同層次的灰色和黑色為主,其中,BG7和FG5菌落為灰綠色;一般菌落凸起,表面粉粒狀,其中,AG2,BG2,CG1,DG1和EG1菌落表面較平坦?jié)駶櫋?3株鏈霉菌中,有4株產(chǎn)色素,分別是AG2產(chǎn)褐色色素、BG3產(chǎn)醬色色素、EG2和FG4產(chǎn)黃色色素。
2.2.2 16SrDNA的擴(kuò)增 每株菌取10個(gè)單菌落,加1 mL ddH2O煮沸5 min,12 000 r/min離心2 min,取上清液作模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。其中,1株放線菌的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物如圖1所示,可見獲得條帶約為1.6 kb的16SrDNA序列。
2.2.3 16SrDNA序列測定和比對(duì) 測序后,將23株鏈霉菌的16SrDNA序列與GenBank數(shù)據(jù)庫中已發(fā)表的序列進(jìn)行比對(duì)(表1)。
表1 樣品中的放線菌菌株按照16S rDNA 序列的比對(duì)結(jié)果
由表1可知,A樣品3個(gè)菌株分別與白淺灰鏈霉菌Streptomyces albogriseolus(GQ925802),熱普通鏈霉菌 Streptomyces thermovulgaris(DQ521405),Streptomyces sp.(AM889494)的同源性最高;B樣品8個(gè)菌株分別與白淺灰鏈霉菌Streptomyces albogriseolus(GQ925802),熱普通鏈霉菌Streptomyces thermovulgaris(DQ521405),Streptomyces sp.(HQ596202),假淺灰鏈霉菌Streptomyces pseudogriseolus(X80827),Streptomyces sp.(JF502572),刺棘鏈霉菌Streptomyces espinosus(X80826),Streptomyces sp.(X81574),Streptomyces sp.(GU045531)的同源性最高;C樣品1個(gè)菌株與熱普通鏈霉菌Streptomyces thermovulgaris(DQ521405)的的同源性最高;D樣品2個(gè)菌株分別與熱普通鏈莓菌Streptomyces thermovulgaris(DQ521405),白淺灰鏈霉菌Streptomyces albogriseolus (GQ925802)的同源性最高;E樣品3個(gè)菌株分別與熱普通鏈霉菌Streptomyces thermovulgaris(DQ521405),Streptomyces sp.(AM889494),Streptomyces sp.(GU045531)的同源性最高;F樣品6個(gè)菌株分別與白淺灰鏈霉菌Streptomyces albogriseolus(GQ925802),Streptomyces sp.(HQ596202),假淺灰鏈霉菌Streptomyces pseudogriseolus(X80827),Streptomyces sp.(AM889494),Streptomyces sp.(DQ092377),Streptomyces sp.(GU045531)的同源性最高。
由測序比對(duì)結(jié)果可知,23株鏈霉菌中,4株的序列與白淺灰鏈霉菌的同源性最高,5株的序列與熱普通鏈霉菌的同源性最高,2株的序列與假淺灰鏈霉菌的同源性最高,1株的序列與刺棘鏈霉菌的同源性最高,有11株在GenBank數(shù)據(jù)庫中未找到與其相似的已知鏈霉菌種的序列,分類地位待定。結(jié)果說明,蘆筍老莖堆肥中優(yōu)勢的嗜熱可培養(yǎng)放線菌主要是白淺灰鏈霉菌和熱普通鏈霉菌。
根據(jù)6個(gè)樣品中23株鏈霉菌的16SrDNA序列和同源性最高的已知菌株的序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹如圖2所示。
本研究在分離嗜熱放線菌時(shí),首先對(duì)樣品進(jìn)行了物理處理,即120℃烘1 h,然后在分離的高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基中添加抑菌劑,一方面可以促進(jìn)放線菌孢子的萌發(fā),另一方面可以除掉大部分的細(xì)菌、真菌。母連軍[16]、司美茹等[21-22]發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢源龠M(jìn)放線菌孢子活化,能有效地提高放線菌的種類和數(shù)量;在分離的培養(yǎng)基中添加化學(xué)抑菌劑或抗生素,也可提高放線菌的出菌量。司美茹等[21]利用9種培養(yǎng)基來分離特殊環(huán)境中的放線菌發(fā)現(xiàn),高氏Ⅰ號(hào)分離得到的放線菌數(shù)量和種類最多。本試驗(yàn)在分離的過程中,完全沒有細(xì)菌、霉菌的干擾,而且嗜熱放線菌的出菌量較好。
本試驗(yàn)通過菌落PCR方法,直接煮沸菌體導(dǎo)致細(xì)胞破裂,以暴露出的DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。結(jié)果證明,該方法可以對(duì)蘆筍老莖堆肥中分離到的放線菌進(jìn)行大規(guī)模的鑒定。菌落PCR方法不僅大大減少了工作量,而且提高了試驗(yàn)效率。從電泳圖上可以看出,菌落PCR還存在著一些非特異性的結(jié)合,可能是因?yàn)槟0逯写嬖谄渌鞍踪|(zhì)和多糖等雜質(zhì)影響或抑制了擴(kuò)增反應(yīng),導(dǎo)致擴(kuò)增效果不太理想。但是如果用作定性檢測,菌落PCR不僅能得到與常規(guī)PCR相同的結(jié)論,還可以節(jié)省大量的人力和物力,是一種切實(shí)可行的檢測方法。
微生物群落及其結(jié)構(gòu)在堆料物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中起著非常重要的作用,堆料中微生物數(shù)量及種群分布與堆肥中有機(jī)物質(zhì)成分和含量、微生物間的相互作用等多種因素密切相關(guān)[9]。本研究結(jié)果表明,蘆筍老莖堆肥中的嗜熱放線菌主要是鏈霉菌,而且?guī)缀醴蛛x到的放線菌都屬于鏈霉菌。23株鏈霉菌中,有11個(gè)菌株在GenBank數(shù)據(jù)庫中未找到與其相似的已知菌株的序列,分類地位待定,這為下一步從蘆筍老莖堆肥中篩選分離有價(jià)值的新嗜熱可培菌提供了可能。本研究只分離到屬于鏈霉菌屬的嗜熱放線菌,沒有分離到像高溫放線菌(Thermoactinomyces) 和高溫單孢菌(Thermomonospora)等屬的嗜熱放線菌,這可能是因?yàn)樵谔J筍老莖堆肥過程中起作用的嗜熱放線菌主要是鏈霉菌,也可能是因?yàn)檫x用的高氏Ⅰ號(hào)分離培養(yǎng)基不適合其他嗜熱放線菌的生長。在下一步的分離工作中,有必要選擇更多的分離培養(yǎng)基來進(jìn)行比較研究。
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