高产纤维素酶真菌的筛选鉴定与紫外诱变选育研究.pdf
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1、ScINO.172023饲料研究FEEDRESEARCH76试验研究高产纤维素酶真菌的筛选鉴定与紫外诱变选育研究李婕1李敏1.2汪玲玲1周鹤1张欣莹1付文翔1邹伟1,2*(1.四川轻化工大学生物工程学院,四川宜宾6 440 0 5;2.四川轻化工大学浓香型白酒资源微生物与大数据实验室,四川宜宾6 440 0 5)摘要:试验旨在拟从腐朽木材和腐质土壤中获得1种高效的纤维素酶生产菌,利用紫外线诱变技术对其进行改造。采用刚果红染色法和酶活性试验,筛选出2 株纤维素酶产率较高的菌(菌株HS5、菌株1)。经形态学和分子鉴定,菌株HS5为黄曲霉(Aspergllus flavus),菌株1为烟曲霉(Asp
2、ergillus fumigatus)。在固体产酶培养基中,以水稻秸秆为唯一的碳源,2 8 培养4d后,HS5滤纸酶(FPA)的酶活为30 6 U/g,羟甲基化纤维素(CM C)的酶活为59 2.2 U/g;菌株1的FPA酶活为2 14.2 U/g,CM C酶活为52 3.8 U/g,表现出了较好的降解纤维素的能力。紫外诱变处理得到产酶能力提高的突变菌株为UR-07和URM-13。与原始菌株相比,UR-07的FPA和CMC酶活分别比原始菌株HS5提高了15.8 6%、16.6 8%,URM-13的FPA和CMC酶活比菌株分别提高了26.94%、19.0 3%。研究表明,经紫外诱变后,产纤维素酶
3、真菌的产酶能力有所提升且具有较好的遗传稳定性,两株菌株在纤维素酶的生产和纤维素类物质降解菌剂的研究中具有较高的潜力。关键词:烟曲霉;黄曲霉;纤维素酶;真菌选育;紫外诱变中图分类号:S816.7文献标识码:A文章编号:10 0 2-2 8 13(2 0 2 3)17-0 0 7 6-0 6Doi:10.13557/ki.issn1002-2813.2023.17.015eeningandidentificationofhigh-yield cellulase fungi and study on UV mutagenesis breedingLIJieLI MinWANGLing-lingZHO
4、U HeZHANG Xin-yingFUWen-xiangZoUWeiAbstract:The study was to obtain an efficient cellulase producing bacterium from decaying wood and decaying soil,andmodify it using UV induction technology.Two cellulase producing bacteria(strain HS5,strain 1)with high cellulase yieldwere screened by Congo red meth
5、od and enzyme activity test.After morphological and molecular identification,strainHS5 was Aspergillus flavus and strain 1 was Aspergllus fumigatus.After 4 d of cultivation at 28 C,the enzyme activityof HS5 filter paper enzyme(FPA)was 306 U/g and that of hydroxymethylated cellulose(CMC)was 592.2 U/g
6、,the FPAactivity of strain 1 was 214.2 U/g,and the CMC activity was 523.8 U/g,in solid enzyme producing medium with ricestraw as the only carbon source,showing a good ability to degrade cellulose.After UV mutagenesis treatment,the mutantstrains UR-07 and URM-13 with improved enzyme production capaci
7、ty were finally obtained.Compared with theoriginal strain,the FPA and CMC enzyme activities of UR-07 were increased by 15.86%and 16.68%,respectively,andthe FPA and CMC enzyme activities of URM-13 were increased by 26.94%and 19.03%,respectively.The study indicatesthat the enzyme production ability of
8、 cellulase-producing fungi obtained after UV mutagenesis is improved and have goodgenetic stability,which provides a high potential strain for production of cellulase and the study of cellulose-degradingmicrobial agents.Key words:Aspergillus fumigatus;Aspergillus flavus;cellulase;fungal selection an
9、d breeding;UV mutagenesis纤维素是自然界中一种重要的可再生资源,占农作物秸秆主要成分的40%50%2 。将秸秆中的纤维素第一作者:李婕,大学,研究方向为发酵工程。通信作者:邹伟,博士,副教授,硕士生导师。基金项目:四川轻化工大学省级大学生创新创业训练计划项目(项目编号:S202010622085);四川轻化工大学研究生创新基金(项目编号:D10501594)收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 7降解为可发酵性糖类,之后利用微生物发酵生产饲料,能够缓解我国饲料资源短缺的问题,推动畜牧业的可持续发展。常规处理方法无法彻底降解秸秆中纤维素,且成本高、污染大3。而纤维素酶的协
10、同作用可以提高纤维素的分解效率4,以高效、环保的方式降解秸秆5-6 。纤维素酶是一类能够水解纤维素的复合酶系的总称,包括葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和-葡萄糖苷酶7 ,其主要生NO.172023饲料研究FEEDRESEARCH77试验研究产菌株包括链霉菌属(St r e p t o m y c e s)、曲霉属(A s p e r g i l l u s)、木霉属(Trichoderma)等18-10。目前,商品纤维素酶价格较高,筛选高产纤维素酶微生物降解纤维素类物质对纤维材料的饲料化1-13、肥料化14-15、基料化16-17、燃料化18 等具有重要意义。自然筛选的菌株产纤维素酶活力低,分解纤
11、维素能力弱,可采用诱变育种的方式提高菌株分解纤维素能力。紫外诱变是目前常用诱变育种的方式之一。白敏霞等7 利用紫外诱变筛选获得菌株A4,其FPA酶活为2 5.30 U/mL,CMC酶活为35.36 U/mL,与出发菌株相比,诱变后的菌株酶活提高了16.0 0%和2 6.37%。郑哲等19筛选得到一株产纤维素酶细菌,进行紫外诱变后获得的最佳突变株产纤维素酶活力为38.30 U/mL,与出发菌株相比,诱变后的菌株酶活力提高了40.0 8%。紫外线诱变操作简便,效果显著,适用范围广。本研究从腐烂树木及土壤中筛选得到2 株高产纤维素酶菌株,通过紫外诱变进一步选育高产且遗传稳定性良好的菌株,为后续应用于
12、秸秆微生物降解研究提供参考,有利于纤维素类物质的开发与利用。1材料与方法1.1试验材料1.1.1试验样品样品采自四川轻化工大学宜宾校区后山腐烂树木和腐质土壤。1.1.2培养基富集培养基:蛋白陈10.0 g、牛肉膏5.0 g、Na C 15.0 g,pH值7.0,蒸馏水10 0 0 mL。分离培养基2 0):羧甲基纤维素钠(CMC-Na)10.0 g、(NH),SO 4 4.0 g、蛋白陈1.0 g、M g SO 47H,00.5g、K H,PO 41.0 g、琼脂2 0.0 g、去离子水10 0 0 mL。种子培养基2 1:CMC-Na10.0g、蛋白陈3.0 g、KH,PO44.0g、M g
13、 SO 47H,O0.3g、去离子水10 0 0 mL。PDA培养基:去皮马铃薯2 0 0.0 g、葡萄糖2 0.0 g、琼脂2 0.0 g、去离子水10 0 0 mL。固态产酶培养基:水稻秸秆和麸皮比为3:1(总固态物料6 g)、料液比1:2、(NH),SO40.2g、K H,PO 40.3 g。1.1.3试剂3,5-二硝基水杨酸、羧甲基纤维素钠、牛肉膏、蛋白陈、酵母膏、NaCl、(NH),SO 4、M g SO 47H,O、KH,PO,均为分析纯,购自成都市科隆化学品有限公司。柠檬酸钠缓冲液(pH值4.8,0.0 5mol/L)、水稻秸秆、麸皮、刚果红(1 g/L)。1.1.4仪器设备BM
14、1700生物显微镜购自南京江南永新光学有限公司,DHG-924(0 A)电热鼓风干燥箱购自上海一恒科学仪器有限公司,UV-1800紫外可见分光光度计购自上海美谱达仪器有限公司,LRH-300生化培养箱购自常州诺基仪器有限公司,HZ150L型多功能培养摇床购自武汉瑞华仪器设备有限责任公司,DGS-208B+型手提式压力蒸汽灭菌锅购自江苏登冠医疗器械有限公司,TG-16医用离心机购自四川蜀科仪器有限公司,SW-CJ-2F落地式净化工作台购自上海力辰邦西仪器科技有限公司,PB-10pH计购自赛多利斯科学仪器(北京)有限公司,水浴锅购自天津赛得利斯实验分析仪器制造厂。1.2试验方法1.2.1菌株分离与
15、初筛取10 g土样于锥形瓶中,加入适量灭菌的富集培养基,将锥形瓶置于2 8 摇床富集培养7 d。富集培养结束后,取上清液1mL,分别稀释至10-1 10-,在分离培养基平板上涂布稀释梯度为10-4、10-5、10 的稀释液,每个稀释梯度设置3个平行平板,将涂布完成的平板于28培养3d,选择生长旺盛的菌株进行2 3次分离纯化直至得到单菌落2,并对平板进行编号。在分离培养基上用牙签单点接种纯种菌株,在2 8 条件下培养3d。培养结束后用刚果红溶液(1mg/L)进行30 min的染色,使用去离子水缓缓冲洗干净染液,注意尽量不要将菌落冲散。再用NaCl(1m o l/L)溶液脱色30min,倒掉NaC
16、1溶液,观察是否产生透明圈2 3。若菌落周围产生透明圈,则可初步判断该菌能够分解纤维素,用直尺测量出透明圈与菌落的直径(D),计算出透明圈与菌落直径的比值。1.2.2菌株复筛在种子培养基中接入初筛获得的分解纤维素能力较强的菌株,于18 0 r/min、2 8 摇床中振荡培养48 h,得到种子液。在以水稻秸秆为碳源的固态产酶培养基中接入15%的种子液,2 8 静置培养4d。每隔一段时间振荡锥形瓶,使固态基质中菌株生长均匀。发酵产酶结束后,称取适量固体酶样加入装有适量去离子水的锥形瓶里,在18 0 r/min、2 8 摇床振荡培养1h,6 0 0 0 r/m i n 离心10 min24,取上清液
17、测羧甲基纤维素酶活、滤纸酶活。参照国标QB2583一2 0 0 3测定羧甲基纤维素酶(CMC酶)、滤纸酶(FPA酶)活力2 3。酶活的定义:在(50 0.1),一定pH值条件下,1mL粗酶液每分钟水解水稻秸秆产生相当于1g葡萄糖的还原糖量,定义为1个酶活单位(U/g)231.2.3菌株紫外诱变选育吸取2 0 0 L制备好的孢子悬浮液,加入灭菌的空平板中,放在超净工作台内距离紫外灯(30 W)约30 cm处,分别照射0、30、40、50、6 0、12 0、18 0、2 40、300s。将照射时间不同的孢子悬浮液稀释至合适倍数,取0.2 mL均匀涂布于分离培养基平板上,用报纸包裹住平板,在2 8
18、暗箱中培养,培养结束后,记录每个平板上的菌落数,计算致死率2 3。78试验研究饲料研究FEEDRESEARCHNO.1720231.2.4菌种鉴定1.2.4.1形态学鉴定将得到的菌株采用平板划线法培养在PDA培养基平板上,平板上长出肉眼可见的菌落后,对菌落形态进行初步观察,挑取适量培养物制片,在显微镜下观察菌株的菌丝、孢子等形态特征。1.2.4.2分子鉴定使用真菌DNA提取试剂盒提取2 株菌的DNA。以提取到的DNA为模板,用真菌内转录间隔区(ITS)序列扩增 引物 ITS1:5-T C C G T A G G T G A A C C T G C G G-3、ITS4:5-T C C T C
19、C G C T T A T T G A T A T G C-3 为通用引物进行PCR扩增2 3 1.2.4.3PCR扩增反应体系10Buffer(含2.5mmol/LMg2+)5.0 L,T a q 聚合酶1.0 L,1L10mmol/LdNTP,上下游引物各1.5L,DNA模板1L,d d H,O 39.0 L。PC R反应条件为预变性温度95、5min;变性95、30 s;退火58、30 s;延伸7 2、1min;循环数35;终延伸7 2、7 min23。将PCR扩增产物送至上海派森诺(Personalbio)生物科技有限公司进行测序,测序结果上传至NCBI进行GenBank比对,选择同源
20、性高的序列,用MEGA11软件构建菌株系统发育树,鉴定菌株种属2 32结果与分析2.1产纤维素酶菌株的分离与初筛在以CMC-Na作为唯一碳源的分离培养基上稀释涂布土壤富集液,分离出31株菌株,通过比较纤维素分解菌的菌落和透明圈直径的大小,初步筛选出4株产纤维素能力较强的菌株,用于下一步复筛。2.2菌株复筛结果4个菌株透明圈与菌落直径比和酶活测定结果见表1。由表1可知,菌株HS5的FPA和CMC酶活均最高,故菌株HS5产酶能力在初筛得到的4株菌株中最强,其FPA酶活为(30 6.0 1.3)U/g,C M C 酶活为(592.2 2.5)U/g。其次菌株1产酶能力较强,其FPA酶活与菌株HS6、
21、H S7差距不明显,但其CMC酶活高达(52 3.8 3.4)U/g。因此后续试验以这两株菌作为研究对象。表14个菌株透明圈与菌落直径比和酶活测定结果菌株D选明圈/D菌落CMC酶活/(U/g)FPA酶活/(U/g)11.26523.8 3.4214.2 2.2HS51.29592.2 2.5306.5 1.3HS61.23469.8 3.7232.2 4.2HS71.19462.6 3.1221.4 1.72.3产纤维素酶的鉴定结果2.3.1菌株形态学鉴定结果(见图1)由图1(a)可知,菌株HS5的菌落平铺表面存在绒毛状菌丝,结构较疏松,菌落表面颜色由初期的黄色变为中后期的黄绿色,背部无色或呈
22、浅褐色。由图1(b)可知,菌株1菌落表面呈绒毛状,其表面颜色随着培养时间的增加逐渐由浅绿色转变为深绿色,背部呈白色或淡黄色。由图1(c)可知,显微镜下的菌株HS5有较长的分生孢子梗、顶端为球形顶囊,顶囊上可看到许多小梗及分生孢子,孢子为卵圆形。由图1(d)可知,显微镜下可以看见菌株1的直且长的分生孢子梗,梗壁上无分生孢子附着,顶部是圆底烧瓶状的顶囊结构,其上半部分分布有单层小梗。根据菌株HS5和菌株1的菌落形态和显微形态观察结果,初步判断两菌为曲霉属2 5。(a)菌株HS5的菌落(b)菌株1的菌落(c)菌株HS5显微镜下观察的形态(d)菌株1显微镜下观察的形态图1菌株形态学鉴定结果2.3.2菌
23、株的分子鉴定结果将扩增产物进行ITS测序,并与NCBI上现有的微生物基因序列进行了Blast分析2 3,发现HS5与黄曲霉(A s p e r g i l l u s f l a v u s)的同源性高达99.6 4%;菌株1与烟曲霉(Aspergillus fumigatus)的同源性高达10 0%。选择NCBI中与菌株同源性较高的菌株,下载其基因序列,使用MEGA11.0构建系统发育树。菌株HS5、1的ITS系统发育树见图2。98Aspergillus oryzae(Ow988263.1)100Davidiellasp.isolateVOLF4(KX621979.1)Aspergillus
24、flavusisolateA581(KX463034.1)Aspergillus flavus CA747756.1(GAP22F01)HS593Aspergillus flavus strain1-29(AF036811.1)0.02(a)菌株HS5196Aspergillus fumigatus isolateOTTR515(KT972124.1)100Aspergllus persi(LY490981.1KR 1020170054899-A/3)Aspergilluspersi isolatePSL61(OQ197985.1)Aspergillusoryzae(DD137095.1)0.
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