任香蕓,李維新,林曉姿,梁璋成,何志剛
[1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所,福建 福州 350003;2.福建省農(nóng)產(chǎn)品(食品)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350013]
【研究意義】二氧化硫是葡萄酒等果酒釀造中常用的添加劑,具有防止酒體過(guò)度氧化、揮發(fā)酸含量上升和抑制雜菌生長(zhǎng)等作用[1]。但高量的二氧化硫(60 mg·L-1以上)會(huì)對(duì)酒體中的乳酸菌產(chǎn)生脅迫作用,使其生長(zhǎng)受抑制甚至死亡,影響了果酒的蘋果酸-乳酸發(fā)酵(Malolactic fementation,MLF)生物降酸效果和酒體品質(zhì)提升[2];而低量的二氧化硫又不能充分發(fā)揮作用,從而易導(dǎo)致酒體品質(zhì)劣變;因此高耐受二氧化硫的MLF乳酸菌的選擇備受關(guān)注。植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)R23是本試驗(yàn)人員從自然發(fā)酵的枇杷酒中分離出的高耐硫、高抗逆性優(yōu)良MLF乳酸菌,已在山葡萄、枇杷和楊梅等高酸性水果的釀造中廣泛應(yīng)用,成為果酒生物降酸中的重要菌株[3-4]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】已有研究表明,二氧化硫在液體介質(zhì)中以HSO3-、SO32-等形式存在,這些離子轉(zhuǎn)化為SO42-的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)如·O2ˉ、H2O2、·OH 等;持續(xù)增加的ROS將作用于細(xì)胞內(nèi)生物大分子進(jìn)而誘發(fā)核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等的氧化損傷[5-6]。但同時(shí),生物體會(huì)啟動(dòng)氧化防御系統(tǒng)以清除過(guò)多的ROS進(jìn)而維持其正常的生長(zhǎng)代謝,即所謂的氧化應(yīng)激。事實(shí)上,強(qiáng)氧化環(huán)境均會(huì)導(dǎo)致生物體內(nèi)ROS大量積累,引發(fā)生物體氧化應(yīng)激反應(yīng)[7],如槲皮素、蘆丁等誘發(fā)了嗜酸乳桿菌NCFM氧化應(yīng)激,且主要依靠過(guò)氧化氫酶的作用清除胞內(nèi)自由基[8];另外,在李斯特氏菌的氧化應(yīng)激反應(yīng)中,超氧化物歧化酶活性和DNA損傷修復(fù)主導(dǎo)了自由基的清除過(guò)程[9]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】推測(cè)二氧化硫脅迫可能引發(fā)植物乳桿菌R23氧化應(yīng)激反應(yīng),且其抗氧化相關(guān)系統(tǒng)發(fā)揮了積極作用,但迄今植物乳桿菌R23耐受二氧化硫的應(yīng)激機(jī)制尚不明確?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究從胞內(nèi)抗氧化酶活力、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞膜丙二醛和磷脂脂肪酸含量等方面進(jìn)行探究,明確二氧化硫脅迫下植物乳桿菌R23生理代謝變化,以期揭示植物乳桿菌R23對(duì)二氧化硫脅迫的適應(yīng)性機(jī)制。
1.1.1 菌株 植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)R23,由本實(shí)驗(yàn)室人員從自然發(fā)酵的枇杷酒中分離并保存,NCBI號(hào)為HQ58056。
1.1.2 培養(yǎng)基 LHR20液體培養(yǎng)基:酵母膏0.74%,牛肉膏1.0%,蛋白胨0.5%,蔗糖2.0%,檸檬酸銨0.2%,MgSO40.036%,MnSO40.005%,吐溫-80 0.1%,蘋果酸鈉5.7%(體積分?jǐn)?shù)35%),番茄汁5%,平菇浸汁 5%,0.2 mol·L-1Na2HPO4-0.2 mol·L-1KH2PO4緩沖鹽稀釋4倍,121 ℃濕熱滅菌20 min。
1.1.3 主要儀器 SCIENTZ-950E細(xì)胞破碎儀(寧波新芝生物科技股份有限公司),SPX-250BS-Ⅱ型生化培養(yǎng)箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司),SWCJ-IFD型單人單面凈化工作臺(tái)(蘇州凈化設(shè)備有限公司),TGL-18C型高速冷凍離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠),GI54DW型高壓滅菌器(美國(guó)致微),6380LV型掃描電鏡(日本電子公司),BioTek Epoch2全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀(Bio Tek), UV-1705紫外可見分光光度計(jì)(日本島津),Agilent7890N型氣相色譜系統(tǒng)(美國(guó)MIDI公司)。
1.1.4 主要試劑 (1)抗氧化酶活力測(cè)定及丙二醛含量測(cè)定試劑盒(上海起子生物科技有限公司)。(2)磷脂脂肪酸提取試劑。皂化試劑(試劑1):NaOH 45 g + 甲醇(HPLC grade)150 mL+去離子蒸餾水150 mL和甲醇混合后加入NaOH中,同時(shí)攪拌至完全溶解;甲基化試劑(試劑2):6.0 mol·L-1鹽酸325 mL+甲醇(HPLC grade)275 mL把鹽酸加入到甲醇中,并不斷攪拌;萃取試劑(試劑3):正己烷(HPLC Grade ) 200 mL+MTBE (HPLC Grade ) 200 mL,把MTBE加入到正己烷中,并攪拌均勻;洗滌試劑(試劑4):NaOH 10.8 g+去離子蒸餾水900 mL。
1.2.1 菌種活化 將植物乳桿菌R23甘油凍存種以5%(V/V)接種于 LHR20中,30 ℃培養(yǎng) 15~18 h,連續(xù)轉(zhuǎn)接活化2次,備用。
1.2.2 菌體二氧化硫脅迫培養(yǎng) 將植物乳桿菌R23活化種以體積分?jǐn)?shù)為5%接種于二氧化硫質(zhì)量濃度分別為 0、40、80、120 mg·L-1的 LHR20 液體培養(yǎng)基中,30 ℃恒溫靜置培養(yǎng)4 h后,備用。
1.2.3 菌體處理與形態(tài)觀察 取1 mL不同質(zhì)量濃度二氧化硫脅迫處理后的菌液于1.5 mL無(wú)菌離心管中,5 000 r·min-1離心3 min,用無(wú)菌水洗滌2次后,用適量2.5%戊二醛(pH 7.0)固定,后續(xù)制樣、掃描電鏡觀察均在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所進(jìn)行。
1.2.4 抗氧化酶活力測(cè)定樣品制備 取50 mL不同質(zhì)量濃度二氧化硫脅迫處理的植物乳桿菌R23菌懸液,以9 000 r·min-1、4 ℃離心10 min,棄上清;加無(wú)菌生理鹽水洗滌1次;菌泥中加入5 mL PBS(pH8.0)緩沖液,加玻璃珠旋渦震蕩混勻;然后進(jìn)行超聲破碎,條件為:功率400 W、工作總時(shí)間5 min、工作1 s、間歇2 s、變幅桿直徑5 mm;細(xì)胞破碎液經(jīng)12 000 r·min-1、4 ℃ 離心 10 min;將上清液裝于 10 mL離心管,4 ℃暫存,備用。
1.2.5 蛋白質(zhì)含量測(cè)定 采用考馬斯亮藍(lán)法。標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作:取6支具塞試管,編號(hào),按表1加入試劑,搖勻,反應(yīng)10 min,于595 nm處測(cè)定吸光度。
表1 蛋白質(zhì)含量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 1 Standard curve for protein determination
樣品測(cè)定:取樣品溶液0.1 mL于試管中,加水0.9 mL,各加入5 mL考馬斯亮藍(lán)試劑,充分混合,放置10 min,以試劑空白為對(duì)照,595 nm處測(cè)定吸光值,同時(shí)做3個(gè)重復(fù)。
1.2.6 酶活力及丙二醛含量測(cè)定 超氧化物歧化酶SOD、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶GPX、過(guò)氧化氫酶CAT活力及丙二醛MDA含量的測(cè)定,采用試劑盒法,具體操作按照說(shuō)明書進(jìn)行。
1.2.7 細(xì)胞膜脂肪酸提取 (1)獲菌:取植物乳桿菌R23脅迫前、后(分別用0、80 mg·L-1二氧化硫處理)的菌液 20 mL,4 ℃、5 000 r·min-1,離心 5 min,用接種環(huán)挑取約40 mg濕重的菌落置于清潔干燥的有螺旋蓋的試管(13 mm × 100 mm)底部;(2)皂化:在裝有菌體的試管內(nèi)加入(1.0±0.1)mL試劑1,鎖緊蓋子,震蕩試管5~10 s,95~100 ℃水浴5 min,從沸水中移開試管并輕微冷卻,震蕩5~10 s,再水浴25 min,取出室溫冷卻;(3)甲基化:加入(2.0±0.1)mL試劑2,擰緊蓋子,震蕩5~10 s,80 ℃水浴10 min,移開且快速用流動(dòng)自來(lái)水冷卻至室溫;(4)萃取:加入(1.25±0.1)mL 試劑3萃取溶劑,蓋緊蓋子,溫和混合旋轉(zhuǎn)10 min ,打開管蓋,利用干凈的移液管取出下層似水部分,棄去;(5)基本洗滌:加入(3.0±0.21)mL試劑4,擰緊蓋子,溫和混合旋轉(zhuǎn)5 min,打開蓋子,利用干凈的移液管移出約2/3體積的上層有機(jī)相到干凈的GC檢體小瓶。
1.2.8 脂肪酸檢測(cè) 應(yīng)用MIDI系統(tǒng),色譜分析柱溫采用二階順序升溫法,即第一階段170 ℃起始,每分鐘升溫5 ℃,升至260 ℃,第二階段每分鐘升溫40 ℃,升至310 ℃,維持90 s;汽化室溫度250 ℃、檢測(cè)器溫度300 ℃;載氣為氫氣(2 mL·min-1)、尾吹氣為氮?dú)猓?0 mL·min-1);柱前壓 68.95 kPa;進(jìn)樣量1 μL,進(jìn)樣分流比100∶1。將檢測(cè)出的脂肪酸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以乳酸菌為樣本、以脂肪酸生物標(biāo)記為指標(biāo)的數(shù)據(jù)矩陣Excel文件,然后利用生物統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 23.0中的Graphs進(jìn)行分析。
植物乳桿菌R23在梯度二氧化硫脅迫處理?xiàng)l件下的胞內(nèi)抗氧化酶活力、膜丙二醛含量和超微形態(tài)變化如圖1、圖2和圖3所示。以正常培養(yǎng)條件為對(duì)照,二氧化硫脅迫處理后3種抗氧化酶活力均顯著提升(P <0.05),其中80 mg·L-1二氧化硫脅迫下SOD、CAT、GPX分別是無(wú)脅迫處理的1.64、2.14、1.62倍,特別是CAT活力提升速率最快且后續(xù)下降幅度最小,提示適量二氧化硫脅迫可有效激發(fā)植物乳桿菌R23的抗氧化系統(tǒng),而CAT可能起了主導(dǎo)作用。當(dāng)脅迫二氧化硫質(zhì)量濃度增大到120 mg·L-1時(shí),酶活力略有下降但與最高值無(wú)顯著差異,且顯著高于對(duì)照值(P<0.05)(圖1)。
圖2顯示,梯度二氧化硫脅迫導(dǎo)致MDA含量不斷增加;其中40或80 mg·L-1二氧化硫脅迫下MDA變化幅度較小,之后加速上升 (P<0.05),在120 mg·L-1二氧化硫脅迫下MDA含量是對(duì)照處理的1.84倍;說(shuō)明抗氧化酶活力下降后胞內(nèi)ROS不能得到有效清除,進(jìn)而導(dǎo)致菌體脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)加劇。
植物乳桿菌R23在不同質(zhì)量濃度二氧化硫脅迫下的菌體細(xì)胞超微形態(tài)如圖3所示。正常培養(yǎng)條件下(0 mg·L-1二氧化硫),菌體飽滿,呈桿狀、單個(gè)或短鏈狀排列,不生孢(圖3-a);40 mg·L-1二氧化硫脅迫并未導(dǎo)致菌體形態(tài)發(fā)生肉眼看見的變化(圖3-b);但脅迫程度進(jìn)一步加深后,有些菌體表面發(fā)生皺縮現(xiàn)象,細(xì)胞失去原有的飽滿程度(圖3-c、d),其中120 mg·L-1二氧化硫脅迫下這一變化更加明顯。可見80 mg·L-1SO2脅迫下菌體尚可維持基本的形態(tài),而120 mg·L-1二氧化硫脅迫雖未導(dǎo)致抗氧化酶活力顯著下降,但其防御性能下降,這不僅表現(xiàn)在MDA含量顯著提升,也表現(xiàn)在菌體形態(tài)的變化上。
上述研究結(jié)果表明,80 mg·L-1二氧化硫脅迫可有效激發(fā)植物乳桿菌R23生理應(yīng)答,且未導(dǎo)致明顯的結(jié)構(gòu)損傷,因此考察了該濃度脅迫下菌體細(xì)胞膜磷脂脂肪酸的結(jié)構(gòu)變化,結(jié)果如表2和圖4所示。無(wú)脅迫時(shí)菌體細(xì)胞膜脂肪酸的組成成分包括飽和脂肪酸即十四烷酸(C14:0)、十六烷酸(C16:0)、十八烷酸(C18:0)、十二碳異脂肪酸(iso-C12:0)、十七碳前異脂肪酸(anteiso-C17:0),單不飽和脂肪酸即十六碳異脂肪酸(iso-C16:1)、十六碳順式脂肪酸(iso-C16:1)和十九碳反式脂肪酸(trans-C19:1),以及環(huán)丙烷脂肪酸(cyclo-19:0)。其中 C14:0、C16:0、C18:0和cyclo-19:0含量之和超過(guò)57.2%,占總脂肪酸的比例較大,特別是C16:0占總量的27%以上,應(yīng)為植物乳桿菌R23脂肪酸主要組成成分。脅迫條件下,菌體脂肪酸發(fā)生不同程度變化,其中飽和脂肪酸即十四碳異脂肪酸(iso-C14:0)、十五碳異脂肪酸(iso-C15:0)和十八碳順式單不飽和脂肪酸(cis-C18:1)從無(wú)到有,而iso-C16:1、anteiso-C17:0從有到無(wú)。說(shuō)明二氧化硫脅迫不僅導(dǎo)致菌體脂肪酸含量發(fā)生變化,也調(diào)整了脂肪酸的組成成分。
表2 不同二氧化硫脅迫下植物乳桿菌R23細(xì)胞膜磷脂脂肪酸相對(duì)含量Table 2 Relative contents of PLFA in L.plantarum R23 under SO2 stress
對(duì)不同類型脂肪酸的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),二氧化硫脅迫后菌體總飽和脂肪酸含量上升,總不飽和脂肪酸含量下降(圖4-a),兩者比值提高1.75,即二氧化硫脅迫導(dǎo)致菌體膜脂肪酸飽和程度增加。類似的,二氧化硫脅迫導(dǎo)致了總直鏈脂肪酸提升(從49.36%升至52.0%),而總支鏈脂肪酸顯著下降(從6.90%降至5.35%,P<0.05),總體直鏈/支鏈比值顯著提升(從7.15升至9.72,P<0.05);值得注意的是,支鏈脂肪酸中的異脂肪酸雖未發(fā)生變化,但前異脂肪酸從1.55%降低為0,因此,總體異脂肪酸和前異脂肪酸的比值增大(圖4-c)。另外,順式/反式脂肪酸的比值也從1.33顯著提升到2.33(P<0.05)(圖4-d)。不同的是,菌體長(zhǎng)鏈脂肪酸和短鏈脂肪酸在二氧化硫脅迫后的相對(duì)含量均有微量提升,但長(zhǎng)鏈脂肪酸的增加幅度更大,因此總體上長(zhǎng)鏈/短鏈的比值提升0.12(圖4-b)。另外還可以發(fā)現(xiàn),作為植物乳桿菌R23脂肪酸主要組成成分之一的環(huán)丙烷脂肪酸cyclo-C19:0,在脅迫處理后其相對(duì)含量也得以提升,提示其在該菌體耐受二氧化硫脅迫過(guò)程中發(fā)揮了一定的作用。從整體變化趨勢(shì)分析,二氧化硫脅迫后植物乳桿菌R23膜脂肪酸成分向著飽和、長(zhǎng)鏈、直鏈和環(huán)型調(diào)整。
微生物體會(huì)啟動(dòng)自身應(yīng)激機(jī)制以抵御各種逆境脅迫等不利條件,如產(chǎn)生特殊保護(hù)功能的蛋白[10]、改變細(xì)胞膜流動(dòng)性[11-12]等,從而維持菌體正常的生長(zhǎng)代謝和功能;本研究則發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌R23通過(guò)提高抗氧化酶活力、調(diào)節(jié)細(xì)胞膜脂肪酸結(jié)構(gòu)的方式來(lái)應(yīng)對(duì)二氧化硫脅迫。已有研究發(fā)現(xiàn),在生物體氧化應(yīng)激反應(yīng)中SOD、GPX和CAT是清除ROS的重要抗氧化酶類[13],如將sod基因進(jìn)行外源表達(dá)后,可明顯提高乳桿菌的抗氧化能力[14];而發(fā)酵乳桿菌ME-3中的谷胱甘肽過(guò)化物酶和谷胱甘肽還原酶,可以從環(huán)境中運(yùn)輸及合成谷胱甘肽來(lái)參與抗氧化反應(yīng)[15]。本研究植物乳桿菌R23抗氧化酶活力的顯著提升表明該菌也啟動(dòng)了氧化應(yīng)激反應(yīng),且其抗氧化系統(tǒng)整體呈現(xiàn)一個(gè)主動(dòng)防御到被破壞的趨勢(shì)。起始階段,隨著脅迫程度增大,SOD、GPX和CAT活性明顯提高(P<0.05),以清除胞內(nèi)過(guò)量的·O2ˉ、H2O2、·OH;但當(dāng)二氧化硫質(zhì)量濃度超過(guò)菌體耐受閾值時(shí),各酶活力開始下降,MDA含量上升幅度加大。這揭示了過(guò)高二氧化硫脅迫會(huì)導(dǎo)致菌體抗氧化系統(tǒng)失調(diào),使得胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除失去動(dòng)態(tài)平衡,過(guò)量自由基與細(xì)胞膜中的脂肪酸等物質(zhì)發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),進(jìn)而引起細(xì)胞膜流動(dòng)性或通透性改變,促使胞內(nèi)離子和其他電解質(zhì)及可溶性物質(zhì)大量外滲,破壞了細(xì)胞內(nèi)酶及代謝作用原有的區(qū)域性,最終導(dǎo)致細(xì)胞皺縮甚至破裂。因此,抗氧化酶活性對(duì)菌體細(xì)胞應(yīng)對(duì)氧化損傷起到至關(guān)重要的作用。
細(xì)胞膜是把菌體細(xì)胞與外界環(huán)境隔離的第一道屏障,也是逆境因子生理脅迫的首要目標(biāo)之一,因此在維持胞內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定性等方面發(fā)揮極其重要的作用[16]。一般認(rèn)為,細(xì)胞膜的生化特性很大程度上取決于組成磷脂的脂肪酸結(jié)構(gòu)[17]。本研究借助MIDI系統(tǒng)對(duì)二氧化硫脅迫前后植物乳桿菌R23膜脂肪酸測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn),脅迫后菌體脂肪酸成分及比例均發(fā)生變化,整體向著飽和、長(zhǎng)鏈、直鏈和環(huán)型增長(zhǎng),其中直鏈/支鏈、順式/反式的比值顯著提升(P<0.05)。由于總直鏈脂肪酸占比較高(50%以上),因此推斷直鏈(尤其是C16:0)與支鏈的比例在植物乳桿菌R23防御二氧化硫脅迫中起主導(dǎo)作用。雖然本研究中菌體總飽和脂肪酸和長(zhǎng)鏈脂肪酸含量增加不顯著,但其占比也較大,所以認(rèn)為它們同樣發(fā)揮了積極作用。另有研究認(rèn)為,不同類型脂肪酸的比例均會(huì)對(duì)細(xì)胞膜的流動(dòng)性產(chǎn)生影響[18],其中支鏈脂肪酸(尤其是前異脂肪酸)中的甲基會(huì)破壞酰基鏈的緊湊性[19],降低膜流動(dòng)性;如單增李斯特菌依靠增加直鏈脂肪酸同時(shí)降低前異脂肪酸C15:0、C17:0來(lái)適應(yīng)酸性環(huán)境[20],而本研究中總支鏈脂肪酸增加以及前異脂肪酸anteiso-C17:0顯著降低(P<0.05)應(yīng)是植物乳桿菌R23應(yīng)對(duì)二氧化硫脅迫的又一適應(yīng)性調(diào)節(jié)方式。另外,長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸可以增加磷脂雙分子層間?;湹南嗷プ饔昧?,使其結(jié)構(gòu)更為牢固且具有較高的相變溫度和較低的滲透性[17];因此植物乳桿菌R23對(duì)長(zhǎng)鏈/短鏈、飽和/不飽和脂肪酸的調(diào)整,可以降低細(xì)胞膜對(duì)HSO3-、SO32-等的透過(guò)性,從而防止ROS大量產(chǎn)生。另外,由于不飽和脂肪酸的氫鍵易被ROS氧化,本研究中其含量降低可以減弱膜脂對(duì)過(guò)氧化作用的敏感性。然而,目前關(guān)于不同類型脂肪酸在菌株抵御逆境脅迫中的作用并未取得一致觀點(diǎn)。如:鄭昀昀等[21]在新物種Anoxybacillus flavithermusssp.YunnanesisE13T對(duì)甲苯的耐受性,以及Huang 等[11]對(duì)植物乳桿菌ZDY2013對(duì)酸的耐受性研究中,均證實(shí)飽和脂肪酸發(fā)揮了積極作用,與本研究結(jié)果相一致;而Taranto等[22]在羅伊氏乳桿菌耐膽鹽、袁崢[23]在嗜酸乳桿菌耐酸的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn),不飽和脂肪酸比例增加對(duì)菌體耐受性更有利;由此可見,不同特性的菌株或不同因子脅迫下其耐受性機(jī)制也不盡相同。
綜上,本研究發(fā)現(xiàn)了植物乳桿菌R23抗氧化酶、膜磷脂脂肪酸等在其應(yīng)答二氧化硫引發(fā)的氧化應(yīng)激中的作用,可初步闡明該菌對(duì)二氧化硫脅迫的適應(yīng)性生理機(jī)制,為深入理解該菌抵抗高二氧化硫環(huán)境而生存的分子機(jī)制提供理論依據(jù),同時(shí)為篩選高抗逆性菌株以解決目前高酸性果酒降酸中存在的問(wèn)題提供思路。