原生質體融合技術選育分解草酸乳酸菌菌株的研究

張禹 毛淑紅 路福平 聶實踐

（1. 天津科技大學生物工程學院 工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室 工業(yè)酶國家工程實驗室 天津市工業(yè)微生物重點實驗室，天津 300457；2.北京百林康源生物技術有限責任公司，北京 100069）

人體缺乏降解草酸的酶，體內的草酸一般通過腸道內微生物降解。1985年Allison［1]首次篩選出具草酸分解能力的產(chǎn)甲酸草酸桿菌，之后又發(fā)現(xiàn)糞腸球菌、雷氏普羅威登斯菌和乳酸菌具有不同程度的草酸分解能力。Lung［2]首次得到分解產(chǎn)甲酸草酸桿菌分解草酸的關鍵酶基因oxc和frc。國內郭照宇［3]對發(fā)酵乳制品中的乳酸菌進行篩，選得到37株具有草酸分解能力的乳酸菌，趙樹田［4]對10種可制作酸奶的乳酸菌體外降解草酸能力評價，得到具有最高分解能力的是乳雙歧桿菌。而現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)得到的分解草酸的腸道微生物耐氧能力較差，為培養(yǎng)和生產(chǎn)微生態(tài)制劑帶來了困難。為克服該問題，Turroni等［5]利用轉基因技術對參與草酸代謝的草酰輔酶A脫羧酶和甲酰輔酶A轉移酶的克隆與表達做了相關研究。但轉基因技術在食品領域存在著安全問題，而原生質體融合技術更為安全，同時操作更為簡便，可以更快捷地得到重組菌。

本研究在國內外研究的基礎上，選取具有草酸分解能力的乳雙歧桿菌和具有耐氧特性的嗜酸乳桿菌作為親本，通過雙親滅活進行原生質體融合，篩選可以在有氧環(huán)境生長并具有分解草酸能力的菌株

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種 乳雙歧桿菌（Bifidobacterium lactisDSM 10140）購于中國普通微生物保藏管理中心。嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilusTCCC11275）保藏于天津科技大學菌種保藏中心。

1.1.2 培養(yǎng)基、溶液和試劑 乳雙歧桿菌液體完全培養(yǎng)基：蛋白胨10 g/L，牛肉膏10 g/L，酵母提取物5 g/L，葡萄糖5 g/L，K2HP40.45 g/L，KH2PO40.33 g/L，氯化銨1 g/L，硫酸鎂0.1 g/L，L-半胱氨酸0.5 g/L，蒸餾水1 L，pH自然。

MRS液體培養(yǎng)基： 蛋白胨10 g/L，牛肉膏10 g/L，酵母提取物5 g/L，K2HPO42 g/L，檸檬酸二銨2 g/L，乙酸鈉5 g/L，葡萄糖20 g/L，吐溫80 1 mL/L，硫酸鎂0.5 g/L，硫酸錳0.25 g/L，pH自然。

再生培養(yǎng)基：半固體MRS培養(yǎng)基（不含吐溫80）中添加質量百分數(shù)為2.5%的明膠，濃度為20 mmol/L MgCl2，濃度為0.5 mol/L的蔗糖。

草酸培養(yǎng)基：草酸鈉2.5 g/L，葡萄糖1.5 g/L，蛋白胨1 g/L，酵母提取物0.5 g/L，K2HPO42 g/L，KH2PO42 g/L，硫酸銨2 g/L，硫酸錳0.025 g/L。

原生質體穩(wěn)定液PB［6]：0.02 mol/L HEPES，pH值為7.0，添加濃度為1 mmol/L的MgCl2，質量分數(shù)為0.5%的明膠，濃度為0.3 mol/L棉籽糖或濃度為0.5 mol/L的乳糖。

溶菌酶溶液：用原生質體穩(wěn)定液PB配制成一定質量濃度的溶菌酶溶液，用一次性無菌濾器過濾除菌。

聚乙二醇 PEG 6000：用原生質體穩(wěn)定液 PB 配制成一定質量濃度的的溶液115℃滅菌20 min。

1.2 方法

1.2.1 菌種活化 分別取菌種乳雙歧桿菌DSM 10140和嗜酸乳桿菌TCCC11275按質量分數(shù)為5%接種于乳雙歧桿菌液體完全培養(yǎng)基和MRS液體培養(yǎng)基中37℃靜置培養(yǎng)24 h。

1.2.2 原生質體制備與再生 取對數(shù)生長期15 mL菌液離心3 500 r/min，并以原生質體穩(wěn)定液PB洗滌兩次，用原生質體穩(wěn)定液PB稀釋至106-107個/mL，用完全培養(yǎng)基傾注法測定細胞數(shù)。轉入9.0 cm培養(yǎng)皿中，加入一定質量體積的溶菌酶溶液處理一定時間，原生質體穩(wěn)定液PB洗滌兩次，用再生培養(yǎng)基傾注法測定細胞數(shù)。

1.2.3 原生質體滅活 高溫滅活：取乳雙歧桿菌原生質體細胞懸液5 mL在不同溫度熱水浴中，不同時間滅活后用再生培養(yǎng)基傾注法測定細胞數(shù)。紫外滅活：取嗜酸乳桿菌原生質體細胞懸液5 mL于9.0 cm滅菌平板中，置15 W紫外燈下，距離為30 cm照射不同時間后用再生培養(yǎng)基傾注法測定細胞數(shù)。

1.2.4 原生質體融合 將滅活后兩親本原生質體懸液在離心管中等體積混合，于4℃冷凍離心機中3 000 r/min離心10 min，然后加入不同配比質量百分數(shù)的PEG6000，融合前需使親本的原生質體細胞濃度達到106-107個/mL，混勻后放入15℃、轉速為100 r/min的恒溫搖床中，10 min以待融合；取出融合后的原生質體懸液4℃冷凍離心后用PB緩沖液離心洗滌兩次，以將融合劑洗凈，將洗滌后的原生質體重懸于PB緩沖液中，得到融合后的原生質體用再生培養(yǎng)基傾注法測定細胞數(shù)。

1.2.5 計算公式 原生質體形成率、原生質體再生率、原生質體滅活率和融合率計算公式參考文獻［7] 。

1.2.6 分解草酸測定方法 將測試菌株轉接到草酸培養(yǎng)基中于37℃培養(yǎng)5 d后，使用高效液相色譜法檢測草酸培養(yǎng)基發(fā)酵前后的草酸含量，高效液相色譜法條件如下。色譜柱：C18柱5 μm，250×4.6 mm，pH范圍：2-10，流動相：2% H3PO4的去離子水∶甲醇（V/V）=99.5∶0.5，檢測器波長：210 nm，流速：0.5 mL/min。

2 結果

2.1 乳雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌原生質體制備條件的確定

選擇原生質體最佳的制備條件不僅要使原生質體制備率達到最高，同時還要考慮原生質體再生率不能過低，因此由表1、表2、表3結果可知乳雙歧桿菌的最佳原生質體制備條件：溶菌酶濃度為6 mg/mL，酶作用溫度為37℃，酶作用時間為25 min。嗜酸乳桿菌的最佳原生質體制備條件：溶菌酶濃度為12 mg/mL，酶作用溫度為37℃，酶作用時間為30 min。

表1 乳雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌原生質體制備溶菌酶濃度

表2 乳雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌原生質體制備溶菌酶作用溫度

表3 乳雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌原生質體制備溶菌酶作用時間

2.2 雙親本原生質體滅活劑量的確定

原生質體紫外滅活和熱滅活的試驗結果，見表4、表5、表6。為保證原生質體的滅活率為100%，最后確定嗜酸乳桿菌的紫外滅活時間為100 s，乳雙歧桿菌的高溫滅活溫度為65℃，時間為70s。

2.3 原生質體融合條件的確定

融合條件是得到融合子的關鍵因素，主要研究了PEG6000 濃度、 融合溫度、 融合時間和無機離子濃度對原生質體融合率的影響。

表4 嗜酸乳桿菌原生質體紫外線滅活劑量

PEG可以使原生質體膜之間有效接觸，有效地誘導原生質體融合［8]。由表7可知，融合率隨PEG6000濃度升高增加到5.0%當濃度超過50%時，融合率下降到3.2%。因此選擇PEG6000濃度為50%作為原生質體融合時的PEG濃度。

表5 乳雙歧桿菌原生質體高溫滅活溫度

表 6 乳雙歧桿菌原生質體高溫滅活時間

表7 PEG濃度對融合率的影響

溫度在一定程度上影響原生質體融合率，較高的溫度可以增加性細胞膜流動性，降低PEG 黏度，有助于原生質體的融合。由表8可知，融合溫度上升到30℃時，原生質體融合率提高到5.5%。溫度繼續(xù)升高后，融合率降低至2%。因此選擇30℃作為融合溫度。

表8 融合溫度對融合率的影響

PEG融合處理時間大多數(shù)情況為 1-10 min，由于PEG 對細胞有一定的毒性，處理時間過長會導致原生質體失活不能再生［9]。由表9 可知，隨著融合時間增加到 7min時，融合率提高到6.0%，當融合時間繼續(xù)增加到11 min 時，原生質體的融合率則降為 4.8%，因此為了獲得最大的融合率選擇7 min作為原生質體的融合時間。加入一定濃度的Ca2+和Mg2+在原生質體融合過程中可以促進融合。

表9 融合時間對融合率的影響

由表10、表11結果可知，選擇融合率最高時的濃度為0.02 mol/L的CaCl2和濃度為0.5 mol/L 的MgCl2作為原生質體融合時的Ca2濃度和Mg2+濃度。

表10 CaCl2濃度對融合率的影響

表11 MgCl2濃度對融合率的影響

2.4 融合子的篩選

在有氧條件的草酸培養(yǎng)基中，親本乳雙歧桿菌由于不耐氧無法生長，嗜酸乳桿菌由于不具有分解草酸的能力也無法生長，只有融合后完全繼承親本特性的融合子才能生長。在296株融合子中有57株可以在有氧條件下的草酸培養(yǎng)基中生長，使用高效液相色譜法對培養(yǎng)基中檢測培養(yǎng)基接種前后的草酸含量進行重復試驗檢測，篩選出分解草酸能力較高的菌株SZY1-1、SZY1-4、SZY1-7、SZY2-1、SZY2-2和SZY3-4，見表12。

3 討論

原生質體融合可以使兩親本細胞隨機融合，有效地篩選具有雙親特性的融合菌株，羅紅霞等［10]對乳酸桿菌（Lactobacillus bulgaricus，LN1#）雙親滅活進行原生質體融合得到在高溫條件下產(chǎn)酸較強低，溫條件下產(chǎn)酸較弱的融合菌株。黃明深［11]利用有芽孢的整腸生菌株（Bacillus licheniformis）與無芽孢的保加利亞乳酸桿菌（Lactobacillus bulgaricus）作為親本，進行原生質體融合，得到了乳酸產(chǎn)量高于親本菌株的融合菌株。原生質體融合的篩選方法是得到融合菌的重要環(huán)節(jié)，比較有效的是使用抗生素標記篩選，但在益生菌研究領域抗生素標記的使用卻存在著安全問題。本研究雙親滅活原生質體融合后利用耐氧特性和耐草酸生長特性的進行篩選，不需要引入抗生素標記，可直接作為安全益生菌用于預防和治療結石病。

表12 融合子分解草酸能力測定

本研究原生質體融合率偏低，還需進一步研究提高，以篩選得到草酸分解能力高于親本的融合菌株。張莉滟等［12]使用電融合技術對雙歧桿菌和熱滅活的乳桿菌進行融合，通過生長特性以及初步生化試驗鑒定得到融合子，雖然通過電融合的方法提高融合率，但在篩選方法上還不夠完全。周正紅等［13]對黑曲霉原生質體的進行了電融合的研究，融合率可達60%，相對于PEG誘導的融合率顯著提高，后續(xù)研究可以對原生質體電融合方法進行探討，以提高融合率得到更多高效分解草酸的融合子。

4 結論

本研究確定了原生質體融合最佳條件為50%的PEG 6000，融合溫度30℃，融合時間為7 min，CaCl2濃度為0.02 mol/L，MgCl2濃度為0.5 mol/L，在此條件下融合率可達7.6%。篩選出一株草酸分解率為13.4%并可以在有氧條件下生長的融合子。

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［2] Lung HY, Baetz AL, Peck AB. Molecular cloning, DNA sequence,and gene expression of the oxalyl-coenzyme A decarboxylase gene,oxc, from the bacteriumOxalobacter formigenes［J] . J Bacteriol,1994, 176（8）：2468-72.

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［4] 趙樹田, 張士青, 顧欣. 十種可制作酸奶的乳酸菌體外降解草酸能力評價［J] . 上海交通大學學報：醫(yī)學版, 2009（12）：1463-1466.

［5] Turroni S, Bendazzoli C, Dipalo SC. Oxalate-degrading activity inBifidobacterium animalissubsp.lactis：impact of acidic conditions on the transcriptional levels of the oxalyl coenzyme A（CoA）decarboxylase and formyl-CoA transferase genes［J] . Appl Environ Microbiol, 2010, 76（16）：5609-5620.

［6] Lee-Wickner LJ, Chassy BM. Production and regeneration ofLactobacillus caseiprotoplasts［J] . Appl Environ Microbiol, 1984, 48（5）：994-1000.

［7] 陳五嶺, 張芳琳, 景建洲. 滅活原生質體融合技術選育蘇云金桿菌新菌種——原生質體融合條件的研究［J] . 西北大學學報：自然科學版, 1998, 2：58-60, 95.

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［11] 黃明深. 保加利亞乳酸桿菌與整腸生菌進行原生質體融合的研究［J] . 中國乳品工業(yè), 2006（9）：20-22.

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