柳 婷,許 欣,孔旭強(qiáng),陳利丁,黃 勝,陳劍秋,孫淑靜
(福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002)
斑玉蕈 [Hypsizygus marmoreus(Peck) H.E.Bigelow],屬于擔(dān)子菌門(mén) (Basidiomycota) 傘菌綱(Hymenomycetes) 傘菌目 (Agaricales) 白蘑科(Tricholomataceae) 玉蕈屬 (Hypsizygus)[1-2],又名玉蕈,俗稱真姬菇、海鮮菇,其子實(shí)體形態(tài)優(yōu)美、口感飽滿,富含蛋白質(zhì)、氨基酸和維生素,能有效清除體內(nèi)自由基,提高機(jī)體免疫力,預(yù)防衰老[3],是近年來(lái)食用菌市場(chǎng)深受歡迎的品種之一。
溫度作為斑玉蕈生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素,溫度的高低直接影響菌絲的生長(zhǎng)、出菇時(shí)間以及子實(shí)體品質(zhì)等。林小花等[4]的研究表明斑玉蕈在菌絲生長(zhǎng)階段溫度需控制在22℃~25℃,低溫時(shí)菌絲生長(zhǎng)緩慢,高溫下易受雜菌污染。胡開(kāi)輝等[5]研究了外界因子對(duì)蟹味菇(Hypsizygus marmoreus) 菌絲特性的影響。發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)蟹味菇菌絲和子實(shí)體生長(zhǎng)有顯著影響。適宜的出菇溫度下子實(shí)體原基形成快、整齊度好、大小均勻且質(zhì)地結(jié)實(shí),出菇溫度高時(shí)原基形成及子實(shí)體成熟時(shí)間延長(zhǎng),出菇整齊度差且質(zhì)地較軟。目前溫度影響菌絲生長(zhǎng)及其出菇機(jī)理尚不明確。
細(xì)菌與許多真核生物均存在重要共生關(guān)系,是其物質(zhì)轉(zhuǎn)化、信息傳遞的重要參與者。細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性是反映真核生物營(yíng)養(yǎng)利用、生長(zhǎng)發(fā)育的重要指標(biāo)。高度多樣性細(xì)菌的群落能在一定程度上應(yīng)對(duì)環(huán)境條件的變化,以改變?nèi)后w的結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)新環(huán)境。張俊蘭[6]采用研磨法從6種食用菌子實(shí)體中分離到內(nèi)生菌58株;劉燦[7]研究發(fā)現(xiàn)在雙孢蘑菇(Agaricus bisporus)子實(shí)體中存在內(nèi)生菌并分離到一株枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilus)。此外,許多研究表明細(xì)菌對(duì)食用菌菌絲生長(zhǎng)有一定作用。楊民和[8]發(fā)現(xiàn)食用菌與有益微生物的相互作用可為食用菌提供了更適的條件,在雙孢蘑菇栽培床表面覆土可有效促進(jìn)其從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化。董曉雅等[9]、張繼英等[10]發(fā)現(xiàn)熒光假單孢菌(Pseudomonas fluorescens) 對(duì)平菇 (Pleurotus ostreatus)、杏鮑菇(Pleurotus eryngii)和雙孢蘑菇的菌絲生長(zhǎng)和出菇均有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。因此探究溫度對(duì)食用菌共生細(xì)菌多樣性的影響及群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,及闡明溫度對(duì)食用菌菌絲生長(zhǎng)和出菇作用機(jī)理及其調(diào)控具有重要的理論意義。研究利用高通量測(cè)序技術(shù)分析溫度對(duì)斑玉蕈菌絲共生細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響,為進(jìn)一步探索溫度影響斑玉蕈菌絲生長(zhǎng)、形態(tài)建成的機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 供試菌種
供試菌株斑玉蕈(閩真2號(hào)),為本實(shí)驗(yàn)室保藏菌種。
1.1.2 主要試劑
E-MF21馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基,日本榮研公司,稱取3.9 g粉末加100 mL去離子水,121℃滅菌20 min備用。
EasyPure Genomic DNA Kit提取試劑盒、PCR相關(guān)試劑、AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒購(gòu)于生工生物工程(上海)股份有限公司。
1.2.1 菌絲生長(zhǎng)速度測(cè)定及形態(tài)觀察
無(wú)菌條件下將活化后的菌種塊(直徑=1.0 cm)分別接種于15℃、20℃、25℃、28℃、30℃、37℃下培養(yǎng)18 d,每組10個(gè)重復(fù),從第4天開(kāi)始每隔4 d測(cè)其菌絲生長(zhǎng)速度,并觀察其形態(tài)特征。其菌絲生長(zhǎng)速度(V,cm·d-1)公式為:
式中:S為菌絲生長(zhǎng)直徑(cm);D為菌絲生長(zhǎng)天數(shù)(d)。
1.2.2 16S rRNA高通量測(cè)序
采用EasyPure Genomic DNA Kit提取試劑盒提取15個(gè)樣品總DNA,PCR擴(kuò)增,選擇細(xì)菌特異引物 338F:5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’和 806R:5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’,對(duì) 16S rRNA基因的V3~V4高變區(qū)片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR程序如下:98℃預(yù)變性2 min;98℃變性30 s;50℃退火30 s,72℃延伸1 min,30個(gè)循環(huán);72℃延伸5 min。用2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物,采用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒回收,運(yùn)用Illumina HiSeq 2500測(cè)序平臺(tái)送北京百邁克生物科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序。
1.2.3 數(shù)據(jù)分析
通過(guò)FLASH軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接[11],采用Trimmomatic軟件將拼接得到的序列進(jìn)行質(zhì)量過(guò)濾[12],并用UCHIME軟件去除嵌合體[13],得到高質(zhì)量的序列(Tags)。通過(guò)USEARCH軟件在相似性97%水平上對(duì)序列進(jìn)行聚類[14],以測(cè)序所有序列數(shù)的0.005%作為閾值過(guò)濾操作分類單元(operational taxonomic units,OTU),將OTU的代表序列與微生物參考數(shù)據(jù)庫(kù)細(xì)菌16S:Sliva(http://www.arb-silva.de) 進(jìn)行比對(duì)可得到每個(gè)OTU對(duì)應(yīng)的物種分類信息,進(jìn)而在門(mén)、綱、目、科、屬、種層面統(tǒng)計(jì)各樣品的群落組成。
運(yùn)用Mothur軟件分析OTU豐度及Alpha指數(shù)[15],以得到樣品內(nèi)物種豐富度和均勻度信息。在97%一致性閾值下,ACE指數(shù)值越大表明該群落中物種種類越多,Chao1指數(shù)可以估計(jì)群落中的OTU數(shù)目,其值越高表明群落物種數(shù)目越豐富,細(xì)菌多樣性包括種類的多少和每個(gè)種類分布的均勻度;香農(nóng)指數(shù)(Shannon) 和辛普森指數(shù)(Simpson) 可以反應(yīng)細(xì)菌多樣性,其中Shannon指數(shù)受到種類多少的影響較大,Simpson指數(shù)受到種類分布均勻度的影響較大。
1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析
采用SPSS對(duì)斑玉蕈菌絲生長(zhǎng)速度進(jìn)行單因素方差分析。用species-sample豐度數(shù)據(jù)對(duì)斑玉蕈菌絲共生細(xì)菌菌群矩陣做除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA),發(fā)現(xiàn)最大梯度長(zhǎng)度(lengths of gradient)小于3.0,采用冗余分析(RDA)探討斑玉蕈菌絲共生細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和溫度之間關(guān)系。
不同溫度對(duì)斑玉蕈菌絲生長(zhǎng)速度及形態(tài)特征的影響見(jiàn)表1及圖1。
表1 菌絲生長(zhǎng)速度及形態(tài)特征Tab.1 Mycelial growth rate and characterization
圖1 不同溫度下菌絲形態(tài)特征Fig.1 Mycelial characteristics at different temperatures
由表1和圖1可看出,菌絲在20℃培養(yǎng)時(shí)生長(zhǎng)速度最快,其次是25℃,菌絲潔白、濃密,氣生菌絲強(qiáng)、邊緣圓滑規(guī)則,但25℃菌絲濃密度與緊實(shí)度比20℃強(qiáng);菌種在28℃培養(yǎng)時(shí)生長(zhǎng)速度慢,菌絲潔白度較高,但濃密度較低,氣生菌絲弱,在15℃培養(yǎng)時(shí)生長(zhǎng)速度較慢,在30℃培養(yǎng)時(shí)生長(zhǎng)速度最慢,菌絲發(fā)黃,濃密度最低,氣生菌絲最弱,邊緣角變不規(guī)則,37℃培養(yǎng)時(shí)菌絲停止生長(zhǎng)。菌種在不同溫度下生長(zhǎng)速度差異顯著,適宜溫度能提高菌絲生長(zhǎng)速度和規(guī)則菌絲形態(tài)形成,高溫顯著抑制菌絲生長(zhǎng)與形態(tài)形成。
不同溫度下樣品的有效序列數(shù)、OTU數(shù)和覆蓋率的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。
表2 不同溫度下樣品的有效序列數(shù)、OTU數(shù)和覆蓋率Tab.2 Effective sequence number,OTU number and coverage of samples at different temperatures
表2對(duì)5個(gè)溫度下的15個(gè)樣品進(jìn)行了16S rRNA基因高通量測(cè)序,經(jīng)序列過(guò)濾和去除嵌合體序列,各樣品有效序列數(shù)量從60 591條~67 643條不等,平均為63 684條,5組樣品平均序列長(zhǎng)度453 bp~550 bp。
由圖2所示,樣品稀釋曲線趨向平坦,由表2可知,5組樣品的細(xì)菌覆蓋率99.92%~99.95%,說(shuō)明取樣合理,測(cè)序結(jié)果較真實(shí)地反映了不同溫度下菌絲共生細(xì)菌的群落組成,置信度高。
圖2 不同溫度97%相似性的OTU稀釋曲線Fig.2 Rarefaction curves of OTUs clustered at 97% sequence across different temperatures
在相似度97%情況下,不同溫度下樣品細(xì)菌多樣性統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表3。
表3 不同溫度下樣品細(xì)菌多樣性統(tǒng)計(jì)分析Tab.3 Analysis of bacterial diversity at different temperatures
由表3知,ACE指數(shù)15℃最高,30℃次之,均遠(yuǎn)高于其他溫度,表明這2個(gè)溫度下菌絲細(xì)菌群落中物種數(shù)目較多,Chao 1值30℃最高,同時(shí)OTU數(shù)30℃最大,表明30℃時(shí)物種豐富度最高。Shannon指數(shù)15℃最高,30℃次之,表明這2個(gè)溫度下細(xì)菌種類較多,Simpson指數(shù)25℃最高,15℃最低,30℃偏低,表明25℃時(shí)細(xì)菌種類分布最均勻,而15℃和30℃細(xì)菌分布相對(duì)不均勻。
基于USEARCH軟件的聚類結(jié)果,將OTU在各個(gè)分類水平上進(jìn)行分析,獲得樣品在門(mén)、綱、目、科、屬、種分類學(xué)水平上的群落結(jié)構(gòu),所有樣品共檢測(cè)到細(xì)菌35門(mén)、86綱、196目、350科、685屬,本文選取豐度較高的10個(gè)門(mén)及屬的細(xì)菌,分析溫度變化對(duì)其影響,繪制細(xì)菌群落組成條形圖見(jiàn)圖3。
圖3 不同溫度下門(mén)和屬的細(xì)菌群落組成Fig.3 Bacterial community composition of phylum and genus at different temperatures
由圖3a可知,在門(mén)水平豐度柱狀圖中,變形菌門(mén) (Proteobacteria) 24.10%~35.80%,厚壁菌門(mén)(Firmicutes) 19.36%~25.43%,擬桿菌門(mén) (Bacteroidetes) 13.07%~19.35%,放線菌門(mén) (Actinobacteria) 9.34%~13.64%,藍(lán)細(xì)菌門(mén) (Cyanobacteria)2.97%~24.17%,梭桿菌門(mén) (Fusobacteria) 1.52%~3.10%,疣微菌門(mén) (Verrucomicrobiae) 1.38%~2.87%,綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)0.53%~2.51%,酸桿菌門(mén) (Acidobacteria) 0.42%~1.60%,軟壁菌門(mén)(Tenericutes) 0.57%~1.41%,其他 (others) 2.30%~4.77%,以上菌門(mén)中變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)在各溫度下的豐度均高于10%為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)。變形菌門(mén)在28℃下豐度最高,厚壁菌門(mén)在15℃豐度最高,擬桿菌門(mén)在20℃豐度最高。藍(lán)細(xì)菌門(mén)豐度在25℃(24.17%) 和 20℃(6.43%) 明顯高于其他溫度(2.96%~3.31%)。25℃細(xì)菌種類多屬于排名前10的門(mén),其他豐度僅2.30%,15℃其他豐度為4.77%,20℃其他豐度為3.55%,28℃其他豐度5.91%,30℃其他豐度4.31%,不同溫度下其他類菌門(mén)的豐度差異較大。
由圖3b可知,基于屬水平分析,所有樣品共檢測(cè)到細(xì)菌685個(gè)屬,溫度對(duì)細(xì)菌屬水平豐度的影響主要涉及以下10個(gè)屬:擬桿菌屬 (Bacteroides)4.82%~10.24%,紅球菌屬 (Rhodococcus) 4.75%~6.93%,毛螺菌科 NK4A136組(Lachnospiraceae_NK4A 136_group) 1.14%~3.11%,普雷沃氏菌屬(Prevotella_9) 1.47%~2.47%,葡萄球菌屬(Staphylococcus) 1.27%~3.77%,蒼白桿菌屬 (Ochrobactrum) 0.54%~9.71%,克雷伯氏菌屬 (Klebsiella)0.34%~0.60%,甲基菌屬(Methylobacillus) 0.17%~5.93%,沙雷氏菌屬(Serratia) 0.002%~0.110%,其他(others) 72.43%~78.12%。其中紅球菌屬、葡萄球菌屬及毛螺菌科NK4A136組為革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌,沙雷氏菌屬、擬桿菌屬、克雷伯氏菌屬、甲基菌屬、蒼白桿菌屬、普雷沃氏菌屬為革蘭氏陰性細(xì)菌。優(yōu)勢(shì)菌屬為擬桿菌屬、紅球菌屬、毛螺菌科NK4A136組,在各溫度下豐度均高于4%,擬桿菌屬豐度15℃為9.48%,20℃豐度10.24%,25℃豐度7.90%,28℃豐度4.82%,30℃豐度5.68%。該菌屬豐度在20℃和25℃顯著高于其他溫度;此外,甲基菌屬豐度在30℃ (5.93%)、28℃(2.44%) 高于 15℃ (0.18%)、20℃(0.17%)、25℃(0.36%),該菌屬豐度在20℃和25℃顯著低于其他溫度。
不同溫度下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異中門(mén)水平細(xì)菌豐度聚類熱圖見(jiàn)圖4。
由圖4門(mén)水平細(xì)菌群落組成圖顯示,豐度高于10%的菌門(mén)較少,豐度較低的菌門(mén)較多,與門(mén)水平樣品細(xì)菌豐度聚類熱圖結(jié)果基本一致,不同溫度下優(yōu)勢(shì)菌門(mén)均較少。25℃培養(yǎng)時(shí)藍(lán)細(xì)菌門(mén)、變形菌門(mén)優(yōu)勢(shì)顯著,15℃疣微菌門(mén)、梭桿菌門(mén)豐度較高,20℃厚壁菌門(mén)、軟壁菌門(mén)豐度較高,28℃酸桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)豐度較高,30℃軟壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)豐度較高。不同溫度下細(xì)菌群落的豐度較高的菌門(mén)不完全相同。此外,圖4細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)關(guān)系顯示門(mén)水平25℃與30℃群落結(jié)構(gòu)差異最大。屬水平細(xì)菌豐度聚類熱圖見(jiàn)圖5。
由圖5屬水平樣品細(xì)菌菌落聚類熱圖顯示,不同溫度下優(yōu)勢(shì)菌屬顯著不同,15℃葡萄球菌屬、紅球菌屬相對(duì)豐度顯著高于其他溫度,20℃擬桿菌屬相對(duì)豐度顯著高于其他溫度,25℃克雷伯氏菌屬相對(duì)豐度高于其他溫度,28℃蒼白桿菌屬相對(duì)豐度高于其他溫度,30℃瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、食酸菌屬(Acidovorax)、甲基菌屬、毛螺菌屬、甲基菌屬相對(duì)豐度高于其他溫度。各溫度群落結(jié)構(gòu)相似度關(guān)系依次為30℃、15℃、28℃、20℃、25℃,屬水平20℃與25℃群落結(jié)構(gòu)差異較小,與菌種表型特征結(jié)果相一致。
優(yōu)勢(shì)菌屬與溫度的相關(guān)性分析見(jiàn)圖6。
由圖6可知,RDA的研究結(jié)果表明蒼白桿菌屬(Ochrobactrum)、甲基菌屬(Methylobacillus)、毛螺菌科NK4A136組(Lachnospiraceae_NK4A 136_group)、沙雷氏菌屬(Serratia) 菌屬豐度與溫度呈正相關(guān),紅球菌屬(Rhodococcus)、擬桿菌屬(Bacteroides)、克雷伯氏菌屬(Klebsiella)、葡萄球菌屬(Staphylococcus) 菌屬豐度與溫度呈負(fù)相關(guān)。
溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的重要因素,其變化會(huì)對(duì)細(xì)菌的種類和數(shù)量產(chǎn)生巨大影響。李云福等[16]通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)雙孢蘑菇培養(yǎng)料發(fā)酵過(guò)程中細(xì)菌群落進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),堆肥前優(yōu)勢(shì)類群為變形菌門(mén),一次發(fā)酵后優(yōu)勢(shì)類群為異常球菌-棲熱菌門(mén)、厚壁菌門(mén)等,二次發(fā)酵時(shí)綠彎菌門(mén)為主要類群。陳長(zhǎng)卿等[17]對(duì)草菇(Volvariella volvacea) 栽培料二次發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中溫度變化會(huì)改變?cè)耘嗔现袃?yōu)勢(shì)菌群及其細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。本研究首次證實(shí)斑玉蕈菌絲共生細(xì)菌的存在,且溫度變化會(huì)對(duì)斑玉蕈菌絲中優(yōu)勢(shì)菌屬及其細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,研究結(jié)果表明門(mén)水平下溫度變化會(huì)引起優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的豐度增加。此外,25℃、20℃條件下藍(lán)細(xì)菌門(mén)豐度較高,15℃、20℃、30℃藍(lán)細(xì)菌豐度明顯降低,菌絲生長(zhǎng)速度20℃和25℃顯著高于其他溫度,推測(cè)藍(lán)細(xì)菌門(mén)細(xì)菌與菌絲生長(zhǎng)速度相關(guān)。屬水平結(jié)果表明不同溫度下擬桿菌屬、紅球菌屬,毛螺菌科NK4A136組的豐度均較高,25℃時(shí)最高,且25℃時(shí)菌絲長(zhǎng)勢(shì)最佳,很可能是因?yàn)樵擃惾贺S度的升高可促進(jìn)菌絲生長(zhǎng)。當(dāng)溫度高于25℃時(shí),菌絲長(zhǎng)勢(shì)較差,甲基菌屬豐度升高,推測(cè)甲基菌屬豐度與菌絲生長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)。
自然界中細(xì)菌種類繁多,不同細(xì)菌最適溫度的不同,使得不同環(huán)境中細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異顯著,改變環(huán)境溫度會(huì)引起細(xì)菌多樣性變化。本研究中不同溫度下斑玉蕈菌絲細(xì)菌多樣性存在差異,25℃菌絲表型較優(yōu),其菌群豐富度及種類多樣性較低但菌群種類分布最均勻,15℃菌絲生長(zhǎng)速度較慢,其菌群豐富度及種類多樣性較高但分布最不均勻??赡苁切庐a(chǎn)生的菌屬破環(huán)了原有菌群的均勻分布,不利于菌絲的生長(zhǎng),28℃和30℃菌絲的長(zhǎng)勢(shì)較差,其菌群多樣性較高分布較均勻,可能是因?yàn)楫a(chǎn)生了抑制菌絲生長(zhǎng)的雜菌。
菌絲生長(zhǎng)速度及表型特征與細(xì)菌群落多樣性、組成及結(jié)構(gòu)有著密切的相關(guān)性,益生菌的存在、豐富度及豐度大小對(duì)菌絲生長(zhǎng)至關(guān)重要。周巍巍[18]研究了惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida) 對(duì)雙孢蘑菇菌絲的促生作用及機(jī)理,發(fā)現(xiàn)惡臭假單胞菌可顯著提高雙孢蘑菇菌絲的生長(zhǎng)速度及誘導(dǎo)并促進(jìn)子實(shí)體的形成和發(fā)育。Cho等[19]從平菇菌絲表面分離得到的10種熒光假單胞菌菌株,其中7種在平菇原基形成和子實(shí)體發(fā)育的過(guò)程中具有促進(jìn)作用。本研究中25℃時(shí)斑玉蕈菌絲生長(zhǎng)速度較快、菌絲表型最佳,該溫度下擬桿菌屬、紅球菌屬及毛螺菌科NK4A136組為優(yōu)勢(shì)菌屬,表明這三類菌屬可能對(duì)斑玉蕈菌絲生長(zhǎng)呈正面影響,30℃時(shí)菌絲生長(zhǎng)速度最低且表型最差,該溫度下甲基菌屬豐度大幅高于其他溫度,表明這類菌屬可能對(duì)菌絲生長(zhǎng)呈負(fù)面影響。
綜上所述,研究首次明確食用菌菌絲存在共生細(xì)菌,且細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)與溫度相關(guān)性較大,同時(shí)表明共生細(xì)菌與菌絲生長(zhǎng)、形態(tài)特征存在密切聯(lián)系,這為通過(guò)溫度調(diào)控食用菌生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理以及共生微生物的開(kāi)發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。