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    俄羅斯卡爾梅克共和國(guó)發(fā)酵蔬菜中細(xì)菌多樣性研究*

    2014-12-16 08:04:32侯強(qiáng)川郭壯張家超孫天松
    食品與發(fā)酵工業(yè) 2014年7期
    關(guān)鍵詞:焦磷酸株菌乳酸菌

    侯強(qiáng)川,郭壯 ,張家超,孫天松

    (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古呼和浩特,010018)

    發(fā)酵蔬菜是以蔬菜為原料,通過(guò)自然發(fā)酵或人工接種益生菌發(fā)酵的方式得到的一大類食品,其產(chǎn)品主要包括泡菜、酸菜、醬菜、腌菜等。發(fā)酵蔬菜不僅保留了蔬菜原來(lái)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,同時(shí)在有益微生物的作用下,其還能產(chǎn)生多種人體必須的氨基酸和脂肪酸,增加了蔬菜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,延長(zhǎng)了蔬菜的保質(zhì)期。

    既往研究表明,乳酸菌對(duì)于發(fā)酵蔬菜的發(fā)酵成熟起著至關(guān)重要的作用[1-3],分離篩選品質(zhì)優(yōu)良的乳酸菌菌株是發(fā)酵蔬菜工業(yè)化生產(chǎn)所必不可少的。除此之外,發(fā)酵蔬菜中微生物的種類和數(shù)量對(duì)發(fā)酵蔬菜的風(fēng)味和質(zhì)量具有極其重要的影響[4]。全面深入地分析發(fā)酵蔬菜中微生物的多樣性和菌群組成對(duì)于掌握發(fā)酵蔬菜風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生和變化規(guī)律,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生成機(jī)理以及科學(xué)地預(yù)測(cè)產(chǎn)品保質(zhì)期具有重要的意義。

    傳統(tǒng)檢測(cè)發(fā)酵蔬菜中微生物組成最常用的是基于純培養(yǎng)的方法,但受培養(yǎng)條件的限制,該方法并不能完全揭示產(chǎn)品中微生物菌群的組成。之前有研究表明,自然界中只有不到1%的微生物可培養(yǎng)[5],這表明單純以純培養(yǎng)的方式研究發(fā)酵蔬菜中微生物的組成,結(jié)果往往是低估了產(chǎn)品中微生物的多樣性。伴隨分子生物學(xué)的發(fā)展,越來(lái)越多的基于非培養(yǎng)的微生物檢測(cè)方法和技術(shù)如DGGE/TGGE技術(shù)、克隆文庫(kù)分析法、SSCP技術(shù)、基因芯片技術(shù)等被廣泛應(yīng)用于發(fā)酵蔬菜微生物檢測(cè)中。這些新技術(shù)的使用使人們對(duì)于自然界中99%以上不可培養(yǎng)微生物的研究成為可能。隨著羅氏454公司新一代高通量焦磷酸測(cè)序儀的面世,我們獲得了一種全新認(rèn)識(shí)微生物世界的途徑,454焦磷酸測(cè)序技術(shù)具有測(cè)序通量大、快速、成本低等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)該技術(shù)在各類食品微生物檢測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,如奶酪[6-7],開(kāi)菲爾[8-9],酒精飲料[10]等發(fā)酵食品。

    本研究以采集自俄羅斯卡爾梅克共和國(guó)埃利斯塔市郊的2份發(fā)酵蔬菜為研究對(duì)象,通過(guò)純培養(yǎng)的方法結(jié)合16S rRNA測(cè)序技術(shù)對(duì)其中分離出的乳酸菌進(jìn)行了準(zhǔn)確的鑒定和分型,同時(shí)采用454焦磷酸測(cè)序技術(shù)分析了樣品中細(xì)菌構(gòu)成的多樣性。以期為發(fā)酵蔬菜工業(yè)化生產(chǎn)菌株的篩選做前期菌株儲(chǔ)備,同時(shí)也為全面掌握發(fā)酵蔬菜中細(xì)菌的組成和改進(jìn)發(fā)酵蔬菜的制作工藝提供有益的參考。

    1 材料與方法

    1.1 材料與試劑

    本實(shí)驗(yàn)的2份發(fā)酵蔬菜樣品Ru12、Ru13采集自俄羅斯埃利斯塔市郊,MRS液體培養(yǎng)基、MRS固體培養(yǎng)基、10%脫脂乳培養(yǎng)基等參照文獻(xiàn)[11-13]制備,M17固體培養(yǎng)基(CM0785B)和M17液體培養(yǎng)基(CM0817B)由英國(guó)OXOID公司提供,PCR引物由上海桑尼生物科技有限公司合成。Taq酶(DR001C)由寶生物工程(大連)有限公司提供。

    1.2 儀器與設(shè)備

    表1 實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器Table 1 The main equipment in this study

    1.3 菌株培養(yǎng)分離及鑒定方法

    1.3.1 乳酸菌的分離純化

    無(wú)菌條件下,用滅菌槍頭吸取500 μL發(fā)酵液于4.5 mL的生理鹽水(0.85%,w/v)中,以十倍稀釋法對(duì)其進(jìn)行梯度稀釋后,吸取200 μL稀釋度為10-5、10-6、10-7的稀釋液涂布于已準(zhǔn)備好的M17和MRS固體平板培養(yǎng)基上。將涂布的平皿放入?yún)捬跖囵B(yǎng)罐中(氣體條件:CO2∶H2∶N2=10∶10∶80),并置于 30 ℃培養(yǎng)48~72 h,菌落形成后觀察其形態(tài)。依據(jù)之前報(bào)道中乳酸菌的菌落形態(tài)特征,將疑似為乳酸菌的菌落做標(biāo)記,并在無(wú)菌操作臺(tái)中用接種針或接種環(huán)挑取標(biāo)記好的菌落分別相應(yīng)接種于MRS和M17液體培養(yǎng)基中,30℃厭氧培養(yǎng)24 h。繼續(xù)傳代后挑取適量菌體進(jìn)行革蘭氏染色試驗(yàn)(涂片、固定、染色、脫色),在顯微鏡下仔細(xì)觀察并記錄細(xì)胞形態(tài)和細(xì)菌排列方式。將革蘭氏染色陽(yáng)性的菌株暫定為乳酸菌[14],并進(jìn)一步純化培養(yǎng)保存。

    1.3.2 乳酸菌基因組DNA提取及16S rRNA測(cè)序

    將純化好的菌株采用CTAB法提取總DNA[15]。并利用PCR擴(kuò)增其16S rRNA基因片段。擴(kuò)增引物采用通用引物:

    正向引物為27F:5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’;

    反向引物為1495R:5'-CTACGGCTACCTTCTTACGA-3’。

    PCR反應(yīng)體系見(jiàn)表2:

    表2 PCR反應(yīng)體系(25μL)Table 2 PCR reaction system(25μL)

    取5 μL PCR產(chǎn)物和2 μL上樣緩沖液(6×Loading Buffer)混合,采用1.0%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè),電壓5 V/cm,電泳液為0.5×TBE。電泳30 min后用凝膠成像儀觀察結(jié)果,片段長(zhǎng)度約1 500bp的陽(yáng)性產(chǎn)物經(jīng)純化后送上海桑尼生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測(cè)序。測(cè)定的序列用BLAST在GenBank中搜索相近序列(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/)。將測(cè)序菌株與標(biāo)準(zhǔn)菌株的16S rDNA序列首先使用ClustalX[16]將序列進(jìn)行完全比對(duì),如果菌株與模式菌株的同源性大于99%,則可鑒定此菌株與模式菌株為同一菌株,然后用Neighbor-joining法[17]取得序列的進(jìn)化距離。使用MEGA5軟件[18]作出系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),數(shù)據(jù)自展重抽樣次數(shù)1 000次。所得菌株16S rRNA序列全部提交GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)。

    1.4 454焦磷酸測(cè)序材料的獲取和數(shù)據(jù)分析方法

    1.4.1 基因組DNA提取

    采用破碎法提取2份樣品中基因組DNA。具體步驟如下:將采集的原始樣品在漩渦振蕩器上振蕩30 s混勻,取800 μL樣品于1.5 mL滅菌 EP管中。12 000 g離心10 min,棄去上清液,沉淀中加1 mL PBS緩沖液,漩渦振起。12 000 g離心10 min,棄去上清,沉淀加800 μL Tris-EDTA緩沖液,漩渦振勻后轉(zhuǎn)至裝有玻璃珠的破碎管中,在破碎儀上破碎3次。在破碎液中加入60 μL SDS,振勻后在4℃放置5 min。12 000 g離心10 min,轉(zhuǎn)移上清液到新的1.5 mL滅菌 EP管中。加入100 μL NaCl溶液(5 mol/L),80 μL CTAB(1%,pH=8.0),65 ℃水浴 20 min。加 V(酚)∶V(三氯甲烷)∶V(異戊醇)=25∶24∶1至約1.5 mL處,顛倒混勻,靜置1 min,重復(fù)3次。4℃,12 000 g離心10 min。吸取上清液轉(zhuǎn)移至新的1.5 mL滅菌EP管中,加入等體積的三氯甲烷異戊醇,室溫12 000 g離心5 min。收集上清液,加入0.1倍體積的醋酸鈉(3 mol/L),顛倒混勻,加入1倍體積的冰異戊醇,輕柔混勻后靜置20 min。12 000 g離心5 min,棄去上清液,加500 μL 70%的乙醇洗滌沉淀。棄去上清液,沉淀自然風(fēng)干。沉淀加50 μL Tris-EDTA緩沖溶液回溶,冷藏備用。

    1.4.2 基因組DNA擴(kuò)增及焦磷酸測(cè)序

    DNA擴(kuò)增采用的是細(xì)菌16s rDNA V1-V3區(qū)通用引物。具體的PCR擴(kuò)增引物:

    正向引物為27F:5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’;

    反向引物為533R:5'-TTACCGCGGCTGCTGGCAC-3’。

    反應(yīng)體系見(jiàn)表3:

    表3 PCR反應(yīng)體系(20 μL)Table 3 PCR reaction system(20μL)

    PCR反應(yīng)產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)合格后用于測(cè)序,焦磷酸測(cè)序按照454 Roche GS-FLX的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行。454焦磷酸測(cè)序結(jié)果已上傳到MG-RAST網(wǎng)站,Ru12和Ru13樣品編號(hào)分別為4552295.3和4552296.3。

    1.4.3 數(shù)據(jù)分析

    根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行篩選:

    (1)長(zhǎng)度篩選(篩選出原始序列中長(zhǎng)度大于300 bp的序列)。

    (2)引物匹配(blastn 的方法,W=4,e=0.1,找到序列上與引物匹配的片段,確定上下游引物的位置)。

    (3)可變區(qū)篩選(找到引物位置后,認(rèn)為兩端引物之間的片段為可變區(qū),選出其中長(zhǎng)度大于300 bp的片段)。

    (4)tag匹配(tag按照樣本-tag編號(hào)篩選,不允許錯(cuò)配,且必須為首7位)。

    (5)質(zhì)量控制(整條序列上質(zhì)量大于20的堿基所占比例須高于93%)。

    經(jīng)過(guò)以上5步篩選,認(rèn)為提取出的序列是長(zhǎng)度、質(zhì)量、引物、tag均有效的高質(zhì)量序列。通過(guò)序列的聚類以給定相似度0.97水平上劃分操作分類單元(operational taxonomic units,OTUs),選取每一 OTU 的代表性序列進(jìn)行注釋。使用本地BLAST的方法比對(duì),采用Ribosomal Database數(shù)據(jù)庫(kù)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 分離菌株的鑒定

    采集自俄羅斯卡爾梅克共和國(guó)埃利斯塔市郊的2份發(fā)酵蔬菜樣品共分離鑒定出19株乳酸菌,分屬于植物乳桿菌屬(14株)、片球菌屬(3株)和明串珠菌屬(2株),其中Ru12樣品分離鑒定出11株,Ru13樣品為8株。對(duì)這些分離株進(jìn)行16S rDNA序列分析并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),參見(jiàn)圖1。通過(guò)BLAST序列比對(duì)分析和系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析可知:所有19株菌初步歸于三大群,其中有7株菌與Lactobacillus plantarum(T)AJ965482同源性在99%以上,將其歸屬為L(zhǎng)actobacillus plantarum;有1株菌與 Lactobacillus brevis ATCC 367同源性為100%,將其歸屬為L(zhǎng)actobacillus brevis;有2株菌與Lactobacillus delbrueckii(T)ATCC 11842同源性在99%以上,將這2株菌歸屬為L(zhǎng)actobacillus delbrueckii;有1株菌與 Lactobacillus helveticus(T)AM113779同源性在99%以上,將其歸為L(zhǎng)actobacillus helveticus;有 1株菌與 Lactobacillus kefiranofaciens AM113782同源性在99%以上,將其歸屬為L(zhǎng)actobacillus kefiranofaciens;有 2株菌與 Lactobacillus kefiri(T)AJ621553同源性在99%以上,將這2株菌歸屬為L(zhǎng)actobacillus kefiri;有1株菌與Leuconostoc lactis(T)AB023968同源性在99%以上,將其歸屬為L(zhǎng)euconostoc lactis;有1株菌與 Leuconostoc mesenteroides(T)ATCC 8293同源性為100%,將其歸屬為L(zhǎng)euconostoc mesenteroides;有2株菌與Pediococcus ethanolidurans AY956789同源性大于99%,將這2株菌歸屬為Pediococcus ethanolidurans;有1株菌與Pediococcus pentosaceus ATCC 25745同源性大于99%,將其歸屬為Pediococcus pentosaceus。對(duì)于上述分離菌株的生物學(xué)特性還需要后續(xù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和驗(yàn)證,從而進(jìn)一步篩選適合發(fā)酵蔬菜工業(yè)化生產(chǎn)的菌株。

    圖1 19株待測(cè)菌株與參考菌株16S rDNA序列系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.1 Phylogenetic tree of the 16S rDNA of reference strains and nineteen isolates

    2.2 樣品中細(xì)菌豐度和多樣性分析

    通過(guò)454焦磷酸測(cè)序,Ru12發(fā)酵蔬菜共得到10 869條高質(zhì)量序列,Ru13樣品為12 204條,經(jīng)過(guò)PyNAST alignment和100%序列鑒定聚類(sequence identity clustering)分析后,共得到2 664條代表性序列。繼而在97%相似度水平上劃分OTU,Ru12和Ru13樣品分別發(fā)現(xiàn)148個(gè)和123個(gè)細(xì)菌OTU。

    由圖2可知,2份發(fā)酵蔬菜的稀疏曲線均未進(jìn)入平臺(tái)期,這表明隨著測(cè)序量的增加新的種系型有可能被發(fā)現(xiàn),但同時(shí)Shannon曲線已經(jīng)飽和,表明隨著測(cè)序量的增加細(xì)菌的多樣性已經(jīng)不再隨之發(fā)生變化。

    對(duì)于一個(gè)試驗(yàn)中至少需要多少條高質(zhì)量的16S rRNA序列才能滿足后續(xù)的科研分析一直是科研人員比較關(guān)心的問(wèn)題。既往研究表明,如果只是在門(mén)的水平上分析樣品中微生物組成,那么幾百條高質(zhì)量的454焦磷酸測(cè)序序列就足夠了,而如果要檢測(cè)樣品中多數(shù)優(yōu)勢(shì)微生物的菌群結(jié)構(gòu),幾千條序列足以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?9]。本實(shí)驗(yàn)中2個(gè)樣品測(cè)序量都已到達(dá)一萬(wàn)以上,結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn),在該測(cè)序水平上測(cè)序結(jié)果已能夠充分揭示2份樣品中細(xì)菌的組成。

    通過(guò)chao1指數(shù)對(duì)樣品的豐度進(jìn)行比較,Ru12和Ru13兩份樣品的chao1指數(shù)分別為233.8和171.0,表明Ru12樣品中細(xì)菌的豐度比Ru13樣品要高。通過(guò)simpson指數(shù)對(duì)樣品的多樣性進(jìn)行比較分析,Ru12和Ru13兩份樣品的simpson指數(shù)分別為0.527和0.534,這表明2份樣品中細(xì)菌的多樣性差別不大。

    圖2 兩份發(fā)酵蔬菜樣品的稀疏曲線和Shannon曲線Fig.2 Rarefaction analysis and shannon diversity index of two fermented vegetable simples

    2.3 樣品中細(xì)菌相對(duì)含量的比較分析

    通過(guò)在97%相似度上劃分OTU,每一OTU選取出現(xiàn)次數(shù)最多的序列為代表性序列,采用本地BLAST的方法進(jìn)行注釋,在門(mén)的水平上,兩份樣品都主要由硬壁菌門(mén)(Firmicutes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)組成,在Ru12樣品中,上述門(mén)類細(xì)菌的含量分別為96.26%、3.66%、0.04%、0.02%,在Ru13樣品中,其含量分別為 97.64%、2.27%、0.07%、0.02%,參見(jiàn)圖3、圖4。

    圖3 兩份發(fā)酵蔬菜樣品中細(xì)菌的組成Fig.3 Compositions of bacteria in two fermented vegetable samples

    由圖3、圖4可知,在屬的水平上,2份樣品中含量最高的細(xì)菌屬主要包括乳桿菌屬(Lactobacillus)、乳球菌屬(Lactococcus)、弧菌屬(Vibrio)、片球菌屬(Pediococcus)、腸球菌屬(Enterococcus)、克魯維菌屬(Kluyvera)等。在Ru12樣品中這些菌屬的相對(duì)含量依次為 89.41%、3.95%、3.14%、1.61%、0.64%、0.08%,在Ru13樣品中的相對(duì)含量依次為93.65%、3.69%、1.69%、0.7%、0.08%、0.21%。由此可見(jiàn),在2份樣品中,占據(jù)支配地位的菌屬都是乳桿菌屬(Lactobacillus),其次為乳球菌屬(Lactococcus)和弧菌屬(Vibrio)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與乳酸菌分離鑒定中分離到的乳桿菌屬的數(shù)量占到絕大多數(shù)的結(jié)果相吻合。通過(guò)上述結(jié)果我們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有意思的現(xiàn)象,在2份樣品中弧菌屬(Vibrio)都占據(jù)了其中相當(dāng)大的比例,而該菌屬的很多種類是具有致病性的,對(duì)于樣品中弧菌屬的來(lái)源我們還需進(jìn)一步研究。

    Ji[20]等采用454焦磷酸測(cè)序技術(shù)對(duì)韓國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜Kimchi中的微生物組成進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Kimchi中最主要的細(xì)菌屬依次為明串珠菌屬(Leuconostoc)、乳桿菌屬(Lactobacillus)和魏斯氏菌屬(Weissella),而明串珠菌屬(Leuconostoc)和魏斯氏菌屬(Weissella)在本文所研究的樣品中相對(duì)含量都很低。這說(shuō)明不同地區(qū)、不同發(fā)酵蔬菜種類中微生物的構(gòu)成存在很大差異,可能正是這些微生物構(gòu)成的差異造就了不同發(fā)酵蔬菜所特有的口感和風(fēng)味。

    3 結(jié)論

    本研究通過(guò)對(duì)采集自俄羅斯卡爾梅克共和國(guó)埃利斯塔市郊的2份發(fā)酵蔬菜采用純培養(yǎng)結(jié)合16S rRNA序列比對(duì)分析的方法,共從2份樣品中分離出19株乳酸菌,并對(duì)其進(jìn)行了準(zhǔn)確的鑒定和分型,鑒定結(jié)果為7株Lactobacillus plantarum;1株Lactobacillus brevis;2株Lactobacillus delbrueckii;1株Lactobacillus helveticus;1株Lactobacillus kefiranofaciens;2株Lactobacillus kefiri;1株Leuconostoc lactis;1株Leuconostoc mesenteroides;2株P(guān)ediococcus ethanolidurans;1株P(guān)ediococcus pentosaceus。同時(shí)運(yùn)用454焦磷酸測(cè)序技術(shù),本研究從宏基因組水平分析了2份發(fā)酵蔬菜樣品中細(xì)菌的豐度和多樣性,發(fā)現(xiàn)隸屬于硬壁菌門(mén)(Firmicutes)的乳桿菌屬(Lactobacillus)和乳球菌屬(Lactococcus)是2份樣品中的優(yōu)勢(shì)菌屬,這也證實(shí)了之前通過(guò)純培養(yǎng)方法得到的部分研究結(jié)論。此外,通過(guò)454焦磷酸測(cè)序技術(shù)我們對(duì)發(fā)酵蔬菜中細(xì)菌的豐度和多樣性有了一個(gè)更加全面深入的認(rèn)識(shí)。例如,我們?cè)谘芯恐羞€發(fā)現(xiàn)了樣品中部分有害菌屬的存在,這是之前研究未曾報(bào)道的現(xiàn)象。上述研究成果對(duì)于發(fā)酵蔬菜工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。

    圖4 兩份發(fā)酵蔬菜樣品中細(xì)菌相對(duì)含量的比較Fig.4 Relative abundance of bacteria in two fermented vegetable samples

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