紀(jì)偉 ,劉曉梅,蘇文英,任立凱,胡曙鋆,陳克龍
1.連云港市農(nóng)業(yè)科學(xué)院(連云港 222000);2.連云港市園藝蔬菜指導(dǎo)站(連云港 222000);3.青海師范大學(xué)(西寧 810000)
靈芝在廣義上是靈芝屬(Ganoderma lingzhi)的總稱,是一種大型食藥用真菌[1],有“仙草”“瑞草”等美稱,是馳名中外的珍稀中藥材之一[2],在日本、巴基斯坦和其他一些國家及地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)[3],根據(jù)生物多樣性信息數(shù)據(jù)庫(Global Biodiversity Information Facility,GBIF)檢索及分析,在已上傳的8 179個數(shù)據(jù)中,除了南極洲,其他六大洲均有發(fā)現(xiàn),歐洲上傳的靈芝樣本數(shù)據(jù)最多。
靈芝具有豐富的藥理成分,且無毒副作用,有效成分包括靈芝多糖[4]、多肽[5]、三萜類[6]及16種氨基酸[7]等。靈芝能降低中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性,有一定鎮(zhèn)痛作用[8],有解毒[9]、降血糖[10]及抗輻射[11]等效應(yīng),靈芝多糖更是能提高機體免疫力[12],有一定治療哮喘[13]和抗腫瘤作用[14]。靈芝還擁有極高的文化觀賞價值[15],自古被人視為吉祥、富貴之物,可將之培育成外形美觀的觀賞植物[16]。
花果山位于江蘇省連云港市南云臺山中麓[17],是江蘇省諸山的最高峰[18],是連云港市生物多樣性、豐富性和典型性代表區(qū)域之一,區(qū)域內(nèi)具有豐富的野生菌物資源,尤其以野生靈芝資源最為豐富。通過對連云港花果山采集的野生靈芝進行分離、ITS分子鑒定、靈芝菌株生物學(xué)特性及種子液發(fā)酵時間對出芝的影響研究,在加強野生靈芝資源研究和保護的基礎(chǔ)上,挖掘優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源,為靈芝在食品工業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)提供一定參考。
菌株來源:于2021年9月在連云港市花果山(北緯34°62′493′,東經(jīng)119°27′808′)采集獲得,標(biāo)本編號lynk2103。將采集的野生靈芝進行組織分離得到菌株,保存于連云港市農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌種質(zhì)資源庫。
馬鈴薯葡萄糖水培養(yǎng)基、馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基、酵母浸粉、磷酸二氫鉀、無水硫酸鎂、蔗糖、D(+)-麥芽糖、蛋白胨、瓊脂糖等。
YDS-10-80液氮罐(樂山市東亞機電工貿(mào)有限公司);凝膠成像系統(tǒng)(上海培清科技有限公司);PCR儀(德國Eppendorf公司);CX43顯微鏡(日本Olympus公司);超凈工作臺(德國Airtech);MD-550離心機(德國Eppendorf公司)。
記錄野生靈芝的生境及其形態(tài)特征,寄生的植被的位置,子實體的形狀、顏色、輪紋、菌蓋厚度和菌肉顏色等形態(tài)特征。采用組織分離法,選取幼嫩未散粉野生靈芝子實體,用含有75%酒精濃度的酒精棉球擦拭靈芝菌蓋表面,滅菌后的手術(shù)刀切除表層,再用滅菌后的鑷子夾取內(nèi)部組織,接種于PDA平板上,于25 ℃暗培養(yǎng)5 d,挑取萌發(fā)的菌絲,獲得純培養(yǎng)菌株,將菌絲接種于PDA試管斜面上,待斜面長滿置于4 ℃冰箱保存。
采用康維世紀(jì)真菌基因組DNA快速提取試劑盒提取DNA,提取的DNA進行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,采用真菌通用引物ITS1(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)和ITS4(5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)進行PCR擴增,引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。擴增條件為94 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性30 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,35個循環(huán),72 ℃延伸10 min。PCR產(chǎn)物交由生工生物工程(上海)股份有限公司進行測序,所測得ITS序列與GenBank數(shù)據(jù)庫進行Blast比對,采用軟件MEGA 7.0對所測ITS序列進行比對、近鄰相接法(neighbor-joining method,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹[19]。
以20 g/L的葡萄糖、蔗糖、淀粉、麥芽糖和甘露醇為液體培養(yǎng)基的唯一碳源,以10 g/L的蛋白胨、硝酸鉀、硝酸銨、硝酸鈉和硫酸銨為液體培養(yǎng)基的唯一氮源,在pH 6.8~7.0、25 ℃,160 r/min條件下避光培養(yǎng),分別探究不同碳氮源對靈芝菌株液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)的影響。
液體發(fā)酵菌絲體干重的測定方法:量取50 mL靈芝發(fā)酵液倒入離心管中,以10 000 r/min離心5 min,將離心后獲得的菌絲體轉(zhuǎn)移到恒重的稱量瓶中,于80℃烘干,稱定,計算其菌絲體干重,每個試驗設(shè)定2個重復(fù)。
將發(fā)酵液分別放置于轉(zhuǎn)速為50,100,150,200和250 r/min的恒溫振蕩器中培養(yǎng),考察轉(zhuǎn)速對靈芝菌株液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)的影響;將發(fā)酵液分別放置于溫度為15,20,25,30和35 ℃的恒溫振蕩器中培養(yǎng),考察溫度對靈芝菌株液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)的影響;在500 mL搖瓶中將發(fā)酵液裝液量分別設(shè)定為50,100,15,200和250 mL,考察搖瓶裝液量對靈芝菌株液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)的影響;將發(fā)酵液接種量分別設(shè)置為2%,4%,6%,8%和10%,考察接種量對靈芝菌株液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)的影響,每個試驗設(shè)定2個重復(fù)。
培養(yǎng)溫度25 ℃,初始pH自然,接種量5%、接種菌齡5 d,搖床轉(zhuǎn)速160 r/min,無水硫酸鎂與磷酸二氫鉀含量均為1 g/L,選定常規(guī)和適于規(guī)?;a(chǎn)的碳源、氮源和無機鹽,進行3個因素4個水平[L16(43)]正交試驗設(shè)計考察,具體設(shè)計見表1。統(tǒng)計發(fā)酵液中菌絲體干重,以此為考察指標(biāo),經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析,找出最優(yōu)配方。
表1 液體培養(yǎng)基的L16(43)正交試驗設(shè)計 單位:g/L
以篩選出的最優(yōu)碳源、氮源、最佳發(fā)酵條件和最優(yōu)培養(yǎng)基配方來探究靈芝菌株液體發(fā)酵過程中生物量(菌絲體干重)、pH和胞外多糖含量變化規(guī)律,每10 h取1次發(fā)酵液進行測定,取樣16次,每個試驗設(shè)定2個重復(fù)。
液體發(fā)酵液pH測定方法:在超凈臺中,無菌操作取樣發(fā)酵液15 mL于50 mL燒杯中,使用pH計進行測定,測定前pH計需要校準(zhǔn)。
液體發(fā)酵胞外多糖測定:使用100 mL離心管取樣發(fā)酵液25 mL,每個試驗設(shè)定2個重復(fù),向裝有發(fā)酵液的每個離心管中加入無水乙醇75 mL,震蕩后靜置12 h,使用離心機以10 000 r/min離心5 min,倒掉上清液,收集沉淀,使用70 ℃烘干,稱定,計算其胞外多糖含量[20]。
選取不同發(fā)酵時間的種子液,時間為90~160 h,每10 h作為1個試驗組,分別接種至固體培養(yǎng)基中,測定菌絲吃料速度和滿袋時間,每個試驗設(shè)定2個重復(fù),并記錄最后靈芝子實體出芝情況。
采用SPSS和Excel軟件對數(shù)據(jù)處理分析,采用Duncan新復(fù)極差法對組間差異顯著性進行分析,以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義,采用Photoshop軟件處理圖片,利用Origin 9.1軟件對所得數(shù)據(jù)作圖,采用MEGA 7.0對ITS序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
由圖1(A)可知,野生靈芝菌株生境植被主要為麻櫟、板栗等闊葉樹種。由圖1(B和C)可知,幼嫩靈芝子實體近半圓形,成熟靈芝子實體近圓形,菌蓋較厚,輪紋明顯,半徑3.6~6.4 cm;菌柄紅褐色,側(cè)生,長度4.5~10.7 cm,幼嫩子實體菌蓋邊緣淡黃色,邊緣肥厚。由圖1(D)可知,在PDA培養(yǎng)基中菌落近圓形,菌落中心菌絲有凸起輪紋、菌落周邊菌絲表面平整,菌絲色澤為白色,菌絲平伏、濃密、均勻,無白色氣生菌絲。由圖1(E)可知,通過奧林巴斯顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)菌絲粗壯,分枝密度不高,有隔膜,可見鎖狀聯(lián)合,無雜菌。分離獲得的菌株使用試管斜面(見圖1 F),菌株命名為lynk2103,保存于4 ℃冰箱。
圖1 野生靈芝子實體及菌落形態(tài)
經(jīng)PCR擴增和凝膠電泳檢測,獲得 ITS序列片段612 bp,如圖2所示。由電泳圖結(jié)果中可以看到條帶介于500~750 bp之間,與ITS測序結(jié)果一致,測序數(shù)據(jù)已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫中,GenBank登錄號為OP784796。測序結(jié)果在GenBank中進行Blast比對,可以判定菌株lynk2103為Ganoderma lingzhi。使用鄰位相連法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。從進化樹可以看出,根據(jù)分支信息lynk2103與已報道靈芝近交程度較低。
圖2 靈芝ITS序列DNA電泳圖和系統(tǒng)發(fā)育樹
由圖3可知,在不同碳源(葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、甘露醇和淀粉)的培養(yǎng)下,菌株lynk2103的液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)呈先增加后平穩(wěn)趨勢,碳源為葡萄糖時,液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量最多(菌絲體干重),達到12.34 g/L,培養(yǎng)5 d的發(fā)酵液開始進入平穩(wěn)期;麥芽糖和蔗糖作為碳源時,液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量次之;隨后依次為淀粉和甘露醇。故選擇葡萄糖作為碳源。
圖3 碳源和氮源對菌株lynk2103發(fā)酵的影響
在不同氮源(蛋白胨、硝酸鉀、硝酸鈉、硝酸銨和硫酸銨)的培養(yǎng)下,菌株lynk2103的液體發(fā)酵產(chǎn)生的生物量(菌絲體干重)呈先增加后平穩(wěn)趨勢,氮源為蛋白胨時,液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量最多(菌絲體干重),達到11.94 g/L,培養(yǎng)6 d的發(fā)酵液開始進入平穩(wěn)期;硝酸銨作為氮源時,液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量次之;隨后依次為硝酸鉀和硝酸鈉;硫酸銨作為氮源時液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量最少。故選擇蛋白胨作為氮源。
由圖4可知:靈芝液體發(fā)酵的最佳轉(zhuǎn)速為150 r/min,對應(yīng)菌絲體干重達10.50 g/L,較轉(zhuǎn)速200和250 r/min對應(yīng)菌絲體干重分別提高1.89%和8.76%,差異不顯著,但顯著高于轉(zhuǎn)速100和50 r/min對應(yīng)菌絲體干重(P<0.05);靈芝液體發(fā)酵的最佳接種量為10%,對應(yīng)菌絲體干重達10.55 g/L,顯著高于其他4種接種量對應(yīng)的菌絲體干重(P<0.05),較菌絲體干重第二高的8%接種量提高10.70%;靈芝液體發(fā)酵的500 mL搖瓶的最佳裝液量為100 mL,對應(yīng)菌絲體干重達10.45 g/L,較菌絲體干重第二高的裝液量150 mL提高3.36%,差異不顯著,但顯著高于其他3種裝液量對應(yīng)菌絲體干重(P<0.05);靈芝液體發(fā)酵的最佳溫度為30 ℃,對應(yīng)菌絲體干重達11.18 g/L,顯著高于其他4種發(fā)酵溫度對應(yīng)的菌絲體干重(P<0.05),較菌絲體干重第二高的25 ℃發(fā)酵溫度提高12.88%。
圖4 靈芝菌株lynk2103的液體發(fā)酵菌條件優(yōu)化
由表2可知:因素A(葡萄糖)極差R值最大為3.31,其次是因素C(蛋白胨)極差R值為3.23,因素B(酵母浸粉)極差R值最小為0.78,說明培養(yǎng)基成分對靈芝液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量(菌絲體干重)的影響大小順序為葡萄糖含量>蛋白胨含量>酵母浸粉含量;因素A(葡萄糖)4水平數(shù)據(jù)的綜合平均最高為10.83,因素B(酵母浸粉)2水平數(shù)據(jù)的綜合平均最高為9.44,因素C(蛋白胨)3水平數(shù)據(jù)的綜合平均最高為10.42,說明最優(yōu)水平為A4B2C3,即葡萄糖40 g/L、酵母浸粉10 g/L、蛋白胨15 g/L加上固定的磷酸二氫鉀1 g/L、無水硫酸鎂1 g/L,為該正交試驗最優(yōu)發(fā)酵配方。
表2 L16(43)正交試驗結(jié)果
經(jīng)160 h的發(fā)酵培養(yǎng),結(jié)果如圖5所示。根據(jù)菌絲體干重變化曲線可知,0~50 h為遲緩期,50~130 h為對數(shù)生長期,130~150 h為平穩(wěn)期,而從150 h開始進入衰亡期。在150 h靈芝生物量(菌絲體干重)達到最高為18.19 g/L;根據(jù)發(fā)酵液pH和胞外多糖變化曲線可知,發(fā)酵液pH隨著發(fā)酵時間的延長而降低,與菌絲體干重變化存在一定的負相關(guān),pH從150 h開始趨于穩(wěn)定。根據(jù)菌絲體干重和pH發(fā)酵過程曲線的規(guī)律,可作為調(diào)控發(fā)酵的依據(jù)。
圖5 靈芝菌株lynk2103的原種液體發(fā)酵過程曲線
選取不同發(fā)酵時間的種子液分別接種至固體培養(yǎng)基中,測定菌絲吃料速度和滿袋時間,如圖6所示,因液體菌種不同的發(fā)酵時間菌絲濃度不同,對菌絲吃料速度和菌袋長滿時間產(chǎn)生影響。液體發(fā)酵時間120 h時,菌絲吃料速度最高,吃料速度為0.56 cm/d,其次是110 h,液體發(fā)酵時間90 h對應(yīng)的吃料速度最低為0.40 cm/d,其中液體菌種發(fā)酵時間110和120 h對應(yīng)的吃料速顯著高于發(fā)酵時間90 h對應(yīng)的吃料速度(P<0.05)。對菌袋長滿時間進行統(tǒng)計,液體菌種發(fā)酵時間90 h長滿菌袋時間最長為35 d,顯著長于其他組別(P<0.05),菌袋長滿時間與前期菌絲吃料速度有一定的對應(yīng)關(guān)系,但不完全一致。
圖6 液體菌種不同發(fā)酵時間菌絲吃料速度和滿袋時間
不同發(fā)酵時間種子液因菌絲濃度的影響,菌絲吃料速度和固體培養(yǎng)基滿袋時間存在著差異,但后期對子實體的形成影響并不大,如圖7所示,不同發(fā)酵時間的種子液對應(yīng)的出芝情況,均可以正常形成靈芝子實體,從經(jīng)濟角度考慮種子液發(fā)酵時間應(yīng)選擇菌絲生長速度快和滿袋時間最快的參數(shù),菌株lynk2103對應(yīng)最佳發(fā)酵時間為120 h。
圖7 液體菌種不同發(fā)酵時間靈芝子實體出芝情況
通過對采集的野生標(biāo)本進行形態(tài)學(xué)鑒定及分離后的菌株進行ITS分子鑒定,確定菌株lynk2103為靈芝屬真菌。從進化樹可以看出,根據(jù)分支信息lynk2103與已報道靈芝近交程度較低,說明該菌株具有較好的遺傳多樣性,測序數(shù)據(jù)已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫中,GenBank登錄號為OP784796,菌絲具有鎖狀聯(lián)合,說明為雙核菌絲,具備子實體形成條件。在碳源對靈芝液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量影響的研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖是該菌株最優(yōu)碳源,這與邢源月等[21]研究結(jié)果存在一定差異,這可能因為不同菌株在不同碳源利用效率方面存在一定差異所致,葡萄糖是一種單糖,是傳統(tǒng)的速效碳源,采購方便,價格低廉,更有利于生產(chǎn)推廣。氮源對靈芝液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量影響研究發(fā)現(xiàn)有機氮源和無機氮源均可以被該菌株利用,蛋白胨是該菌株最優(yōu)氮源,有機氮源效果更佳,這可能與有機氮源中還含有一定的微量元素和其他營養(yǎng)成分有關(guān)。
液體發(fā)酵條件單因素試驗研究發(fā)現(xiàn):靈芝液體發(fā)酵的最佳轉(zhuǎn)速為150 r/min,最佳接種量為10%,這與多數(shù)食藥用真菌要求一致;最佳裝液量為100 mL,對應(yīng)菌絲體干重達10.45 g/L,較菌絲體干重第二高的裝液量150 mL提高3.36%,差異不顯著,但顯著高于其他3種裝液量對應(yīng)菌絲體干重(P<0.05),如果從生產(chǎn)效率角度考慮,可采用150 mL的裝液量,同時也說明靈芝發(fā)酵過程耗氧量較高,在工業(yè)化發(fā)酵罐發(fā)酵靈芝液體菌種時需要提高發(fā)酵的通氣比;靈芝液體發(fā)酵的最佳溫度為30 ℃,相較于其他食用菌最佳發(fā)酵溫度25 ℃要高,這與野生靈芝在夏季高溫季山林中最為豐富剛好對應(yīng),另外劉月琴等[22]發(fā)現(xiàn)靈芝在發(fā)酵溫度32℃時可以提高靈芝活性成分黃酮的含量與本試驗結(jié)果類似。
靈芝菌株液體發(fā)酵配方正交試驗研究中發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基成分對靈芝液體發(fā)酵產(chǎn)生生物量的影響順序為葡萄糖含量>蛋白胨含量>酵母浸粉含量,說明碳源是首要影響因素,同時發(fā)現(xiàn)過高或過低的氮源均不利于靈芝菌絲體的合成,這可能是因為氮源過低時候很快被消耗,而氮源過高時一方面改變了培養(yǎng)基碳氮比,另一方面濃度過高影響滲透壓,而不利于靈芝發(fā)酵液生物量的積累,通過正交試驗科學(xué)的確定菌株lynk2103的最佳配方。
在優(yōu)化后的條件下,通過對菌株lynk2103的液體發(fā)酵過程進行跟蹤,根據(jù)發(fā)酵液生物量變化曲線發(fā)現(xiàn)在150 h靈芝生物量(菌絲體干重)達到最高為18.19 g/L,高于何偉等[23]研究結(jié)果;根據(jù)發(fā)酵液pH變化曲線可知,發(fā)酵液pH隨著發(fā)酵時間的延長而降低,與菌絲體干重變化存在一定的負相關(guān),根據(jù)菌絲體干重和pH過程曲線的規(guī)律,可作為發(fā)酵終點的綜合判定和發(fā)酵過程調(diào)控的依據(jù)[24],另外菌絲體在培養(yǎng)過程由于新陳代謝產(chǎn)生的有機酸積累,對菌絲體的生長起到一定的抑制作用,因此菌絲體發(fā)酵起始pH要適當(dāng)調(diào)高,已報道對發(fā)酵初始pH的研究主要在酸性及中性條件下,唐晨旻等[25]探究靈芝在初始pH 2~11較廣范圍內(nèi)的發(fā)酵情況,通過試驗發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后菌絲體干重最高在初始pH為10,賀新生等[26]報道樹舌靈芝菌絲體發(fā)酵的最適宜pH為8.5,這些現(xiàn)象均與此次研究的試驗現(xiàn)象相吻合。
不同發(fā)酵時間種子液因菌絲濃度不同影響菌絲在固體培養(yǎng)基中的生長速度,但并不是菌絲濃度越高,菌絲在固體培養(yǎng)基中速度越快[27],所以在菌種發(fā)酵時間選擇上,一方面需要參照液體菌種發(fā)酵曲線,另一方面還要考慮菌絲在固體中吃料速度,菌絲濃度過高或者過低都對菌絲生長速度有影響,菌絲量過低,菌絲在固體培養(yǎng)基中的生長點過少,菌絲量過高,老化菌絲較多,菌種活力不夠[28],試驗中靈芝菌株對應(yīng)的最佳發(fā)酵時間為120 h,不僅吃料速度快,而且滿袋時間最短。另外,試驗發(fā)現(xiàn)不同發(fā)酵時間的種子液對出芝情況影響較小,但對后期代謝產(chǎn)物含量、子實體生物量和產(chǎn)孢量仍需進一步研究。
此次研究采集分離獲得的菌株lynk2103通過形態(tài)學(xué)和ITS基因序列分析,確定菌株為靈芝屬真菌,測序數(shù)據(jù)上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫中,GenBank登錄號為OP784796,從進化樹可以看出,lynk2103與已報道靈芝近交程度較低,說明該菌株具有較好的遺傳多樣性,菌絲具有鎖狀聯(lián)合,說明為雙核菌絲,具備子實體形成條件;液體培養(yǎng)基最佳碳源為葡萄糖,最佳氮源為蛋白胨;液體發(fā)酵的最佳轉(zhuǎn)速150 r/min,最佳接種量10%,最佳裝液量100 mL和最佳發(fā)酵溫度30 ℃,最佳培養(yǎng)基配方為葡萄糖40 g/L、酵母浸粉10 g/L、蛋白胨15 g/L、磷酸二氫鉀1 g/L和無水硫酸鎂1 g/L;原種發(fā)酵曲線0~50 h為遲緩期,50~130 h為對數(shù)生長期,130~150 h為穩(wěn)定期,150 h開始進入衰亡期,發(fā)酵液pH與菌絲體干重變化呈負相關(guān);靈芝菌株液體發(fā)酵最佳時間為120 h,不僅吃料速度快,而且滿袋時間最短,不同發(fā)酵時間的種子液對菌絲吃料速度和固體培養(yǎng)基滿袋時間存在著差異,但對出芝情況影響較小。