陳彩玲,毛丙永,崔樹茂,趙建新
(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫,214122)
乳桿菌不僅能夠通過發(fā)酵提高食品的營養(yǎng)價(jià)值,改善食品風(fēng)味[1-2],而且能夠調(diào)節(jié)腸道菌群、保持微生態(tài)平衡、增強(qiáng)機(jī)體免疫作用[3-4]。目前乳桿菌的研究大多關(guān)注宿主的生理、疾病以及菌群等的變化,對于其在胃腸道中的分布、數(shù)量、運(yùn)動(dòng)及它們的定植情況缺乏系統(tǒng)性、針對性的機(jī)理研究。王晶等[5]的研究表明,無法真正區(qū)分進(jìn)入腸道的菌屬于內(nèi)源菌還是外源菌,因此這在一定程度上限制了對作用機(jī)理的深入研究。
關(guān)于菌株定植能力的研究,一般選擇小鼠、人體、模擬反應(yīng)器等實(shí)驗(yàn)?zāi)P蚚6-8],灌胃或飲食的方式攝入,收集糞便或腸道內(nèi)容物后通過平板培養(yǎng)[9]、熒光原位雜交[10]和實(shí)時(shí)熒光定量PCR[11],但這些技術(shù)存在著操作繁瑣、準(zhǔn)確度低或費(fèi)用高等缺陷。近年來,綠色熒光蛋白(green fluorescent protein,GFP)作為一種理想的活體熒光標(biāo)記分子,越來越多地被用于活細(xì)胞或微生物的定位、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的研究[12]。GFP已經(jīng)在許多細(xì)菌中完成了轉(zhuǎn)化,王晶等[13]利用GFP追蹤了乳酸乳球菌WH-C1在小鼠腸道內(nèi)的定植情況;YU等[14]通過GFP標(biāo)記發(fā)現(xiàn)德氏乳桿菌D17嵌入在黏液層中,局部接近腸道的上皮細(xì)胞;GEOFFROY等[15]構(gòu)建了含有GFP的組成型和Nisin誘導(dǎo)型的質(zhì)粒并導(dǎo)入植物乳桿菌WCFS1中,用來研究WCFS1在腸道內(nèi)的定植與分布。
本實(shí)驗(yàn)室從發(fā)酵食品中分離得到1株有明顯益生作用的植物乳桿菌CCFM8610,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CCFM8610處理可有效降低腸道鎘的吸收,減少組織中鎘的積累,減輕腎臟和肝臟的氧化應(yīng)激[16]。為進(jìn)一步研究該菌株在腸道內(nèi)的定植規(guī)律,本實(shí)驗(yàn)室成功對包括CCFM8610在內(nèi)的4株植物乳桿菌進(jìn)行GFP熒光標(biāo)記。本研究對這4株植物乳桿菌的出發(fā)菌株和重組菌株的生物學(xué)特性進(jìn)行了比較研究,為植物乳桿菌在腸道中分布和定植規(guī)律的研究奠定基礎(chǔ)。
試驗(yàn)用植物乳桿菌分離自發(fā)酵食品和健康人糞便,保藏于江南大學(xué)食品生物技術(shù)菌種保藏中心;所用菌株、質(zhì)粒及引物見表1。
MRS培養(yǎng)基:蛋白胨10 g,牛肉膏10 g,酵母粉5 g,葡萄糖20 g,K2HPO42 g,檸檬酸二銨2 g,乙酸鈉2 g,吐溫80 1 mL,MgSO4·7H2O 0.5 g,MnSO4·4H2O 0.25 g,蒸餾水1 000 mL,pH 6.2~6.4,固體培養(yǎng)基添加1.5%的瓊脂粉,在115℃滅菌20 min。培養(yǎng)重組菌株的培養(yǎng)基中,添加終質(zhì)量濃度為10 μg/mL的氯霉素,以0.22 μm無菌濾膜過濾。
TIAN prep Mini Plasmid kit聚合酶、TaqDNA聚合酶,上??魄缟锟萍加邢薰荆凰锌股仡愒噭?、胃蛋白酶,生工生物工程(上海)股份有限公司;膽鹽,英國Oxoid公司;其他實(shí)驗(yàn)用化學(xué)試劑,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
表1 本研究所用菌株、質(zhì)粒及引物Table 1 Strains, plasmids and primers used in this study
PBS緩沖液:Na2HPO42.13 g,NaCl 0.8 g,KCl 0.2 g,KH2PO40.2 g,攪拌溶解后,調(diào)pH值到7.4,定容至1 L,在115℃ 滅菌20 min,配方參考文獻(xiàn)[18]。
乳桿菌感受態(tài)細(xì)胞制備和電轉(zhuǎn)化溶液:溶液I:136.7 g山梨醇,0.1 g甘氨酸,用MRS培養(yǎng)基定容至1 L,115℃滅菌20 min;溶液Ⅱ:342.3 g蔗糖,0.711 g MgCl2·6H2O,去離子水定容至1 L,115℃滅菌20 min;復(fù)蘇液(SMRS):136.7 g山梨醇,1.11 g CaCl2,9.52 g MgCl2,用MRS培養(yǎng)基定容至1 L,115℃滅菌20 min,配方參考文獻(xiàn)[18]。
模擬胃液(simulated gastric fluid,SGF)和模擬腸液(simulated intestinal fluid,SIF):SGF∶將胃蛋白酶(1∶10 000)溶于滅菌的生理鹽水(9 g/L,HCl調(diào)pH值至3.0)中,使終質(zhì)量濃度為3 g/L。以0.22 μm無菌濾膜過濾,現(xiàn)配現(xiàn)用;SIF∶將胰蛋白酶(1∶250)溶于滅菌的生理鹽水(9 g/L,NaOH調(diào)pH值至8.0)中,使終質(zhì)量濃度為1 g/L,并加入膽鹽使終質(zhì)量濃度為3 g/L,以0.22 μm無菌濾膜過濾,現(xiàn)配現(xiàn)用,配方參考文獻(xiàn)[19-20]。
隔水式恒溫培養(yǎng)箱,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;振蕩培養(yǎng)箱,上海知楚儀器有限公司; UV1800紫外可見分光光度計(jì),日本島津;ZHJH-C1115B超凈工作臺(tái),上海智誠分析儀器制造有限公司;DM 2000熒光顯微鏡,徠卡儀器(德國)有限公司;T100 Thermal Cycler PCR儀、Universal Hood 2凝膠成像儀,美國伯樂BIO-RAD;多功能微孔板讀數(shù)儀,美國賽默飛世爾科技公司;電轉(zhuǎn)化儀,德國Eppendorf。
按照范璟等[21]先前描述的方法,將活化好的植物乳桿菌,按照1%的接種量接種到新鮮的MRS液體培養(yǎng)基中,37℃ 培養(yǎng)過夜;按照2%的接種量接種到10 mL溶液I中,37℃ 培養(yǎng)3 h左右,至OD600≈0.5;5 000×g,4 ℃離心2 min,收集菌體細(xì)胞;用2 mL預(yù)冷的溶液Ⅱ洗滌細(xì)胞,5 000×g,4 ℃離心2 min,去除上清液,反復(fù)洗滌2次;最后用1 mL冰浴的溶液Ⅱ重懸菌體細(xì)胞,用于電轉(zhuǎn)化植物乳桿菌。
方法參考文獻(xiàn)[22],將無菌電轉(zhuǎn)化杯從-20 ℃的冰箱取出后,于冰上預(yù)冷;取50 μL冰浴的感受態(tài)細(xì)胞,加入5 μL質(zhì)粒溶液,輕輕吹吸混勻,于冰上靜置10 min;將上述混合液轉(zhuǎn)移至電轉(zhuǎn)化杯,冰浴10 min;設(shè)置參數(shù):電壓2 000 V,電容為25 μF,電阻為400 Ω。電轉(zhuǎn)化杯迅速擦干后,放入電擊槽中,進(jìn)行電擊;迅速向轉(zhuǎn)化后的電轉(zhuǎn)化杯中加入950 μL預(yù)冷的SMRS溶液,冰上靜置5 min;將上述液體轉(zhuǎn)移進(jìn)無菌的1.5 mL離心管中,37 ℃靜止培養(yǎng)3 h左右,將培養(yǎng)液涂布到含有10 μg/mL氯霉素的MRS固體平板上,37℃ 培養(yǎng)48 h,長出的菌落即為轉(zhuǎn)化子。
菌株按照5 000×g1%的接種量,培養(yǎng)到穩(wěn)定期,取1 mL培養(yǎng)液5 000×g,離心2 min,去除上清,用無菌水洗2遍,再用500 μL無菌水重懸,作為模板。以重組菌株和陰性菌株的菌落為模板,利用引物GF、GR擴(kuò)增GFP基因片段,PCR體系20 μL:2×Taq Mix 10 μL;ddH2O 8 μL;上游引物(25 μmol/L) 0.5 μL;下游引物(25 μmol/L) 0.5 μL;模板DNA 1 μL。PCR擴(kuò)增條件為:95℃預(yù)變性5 min;95℃變性10 s;48℃退火30 s;72℃延伸1 min;72℃延伸5 min,2~4步進(jìn)行30個(gè)循環(huán),PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳。
按照曹春蕾等[23]描述的方法,挑取重組菌株接種于含10 μg/mL氯霉素的MRS液體培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)過夜;按照1%的接種量接種到新鮮的培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)18 h;5 000×g離心2 min,收集菌體細(xì)胞,用PBS洗滌2遍,重懸在PBS中;制片后,用熒光顯微鏡觀察。
方法參考文獻(xiàn)[18],同樣按照1.7的方法收集菌體細(xì)胞,將菌體細(xì)胞重懸于PBS中,取200 μL重懸液加入96 孔酶標(biāo)板中,測定488 nm激發(fā)、535 nm發(fā)射下的熒光值。
將標(biāo)記前后的菌株,按照1%的接種量接種到新鮮培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng)過夜;將培養(yǎng)液按照1%的接種量接種到新的MRS液體培養(yǎng)中,混勻后分裝到提前滅過菌的試管中,于37 ℃恒溫靜置培養(yǎng),每隔1 h取出1根試管測定OD600的吸光值和熒光強(qiáng)度,以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo),分別以O(shè)D600值、熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制曲線。
按照RANADHEERA等[19]先前描述的方法對標(biāo)記前后的植物乳桿菌進(jìn)行模擬胃液(SGF)和模擬腸液(SIF)。將活化好的菌株按照1%的接種量接種到新鮮的培養(yǎng)基中,于37℃恒溫靜置培養(yǎng)至OD600≈2.5,8 000×g,離心5 min收集菌體細(xì)胞;將樣品暴露于模擬胃液2 h,取樣進(jìn)行一式兩份的連續(xù)稀釋和傾注計(jì)數(shù),以確定總活菌數(shù);然后將樣品暴露于模擬腸液4 h,同樣進(jìn)行計(jì)數(shù),以確定總活菌數(shù),以活菌數(shù)和存活率為縱坐標(biāo),以不同處理方式為橫坐標(biāo)作圖。
按照方法1.7收集菌體細(xì)胞,并將細(xì)胞重懸于300 g/L的蔗糖的溶液中,放置于-80℃;隔1周取1次樣,進(jìn)行一式兩份的連續(xù)稀釋和傾注計(jì)數(shù),以確定總活菌數(shù),以活菌數(shù)和熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo),以時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖。
按照方法1.7收集菌體細(xì)胞,重懸于PBS中。用滅菌后的牙簽蘸取少量的菌液,分別輕輕點(diǎn)在葡萄糖作為唯一碳源的MRS平板和低聚果糖(fructooligosaccharide,F(xiàn)OS)作為唯一碳源的平板上,與于37℃恒溫靜置培養(yǎng)20 h后,觀察顏色變化。本次試驗(yàn),培養(yǎng)基中添加質(zhì)量濃度為5 g/L的溴甲酚紫溶液做為指示劑,添加量為15 mL/L。
方法參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10932∶2010(IDF 223∶2010)。無菌操作,將倍比稀釋后不同濃度的抗生素溶液分別加到無菌的96孔聚苯乙烯板中,第2~11孔按照濃度由低到高加抗生素稀釋液,每孔100 μL,第12孔不加抗生素作為生長對照。按照規(guī)范將培養(yǎng)到穩(wěn)定期的菌液稀釋到105~106CFU/mL,吸取100 μL菌液加到96孔板中。37℃厭氧培養(yǎng)48 h后,酶標(biāo)儀測定OD625,計(jì)算結(jié)果。
本研究所有數(shù)據(jù)分析均由GraphPad Prism 6、SPSS 19.0以及Origin 9處理完成;2組之間的顯著性差異通過卡方檢驗(yàn)進(jìn)行判斷(SPSS 19.0 軟件),P<0.05 則認(rèn)為差異顯著。
通過電轉(zhuǎn)化的方法將質(zhì)粒PCD4033-GFP導(dǎo)入到植物乳桿菌感受態(tài)受體中,獲得GFP標(biāo)記的菌株,并進(jìn)一步對轉(zhuǎn)化子進(jìn)行篩選鑒定及熒光檢測。
2.1.1 質(zhì)粒PCD4033-GFP電轉(zhuǎn)化后重組菌株的篩選
將質(zhì)粒PCD4033-GFP通過電轉(zhuǎn)化的方法導(dǎo)入植物乳桿菌感受態(tài)受體細(xì)胞后,添加氯霉素的MRS中篩選轉(zhuǎn)化子。陰性對照在MRS平板上長出菌落,在氯霉素平板上沒有長出菌落,轉(zhuǎn)化成功的轉(zhuǎn)化子在氯霉素的平板上長出菌落。初篩的結(jié)果表明,質(zhì)粒PCD4033-GFP已成功轉(zhuǎn)入4株植物乳桿菌中。
2.1.2 重組菌株驗(yàn)證
以重組菌株和陰性菌株的菌泥為模板,利用引物GF、GR擴(kuò)增GFP基因片段,PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果如圖1所示,陰性對照均沒有條帶,所有重組菌株在700 bp附近有1條很明顯的條帶,GFP基因片段714 bp,條帶與目的片段大小吻合,所以驗(yàn)證結(jié)果表明GFP已成功標(biāo)記4株植物乳桿菌。
圖1 PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果Fig.1 Electrophoresis result of PCR products注:M-marker;Y-無菌水陰性對照;1、2、3、4-P1、P2、P3、P4的標(biāo)記后的菌株;5、6、7、8-P1、P2、P3、P4陰性對照。
2.1.3 熒光顯微鏡觀察
將上述轉(zhuǎn)化菌株用熒光顯微鏡觀察,自然光下即可見微弱的綠色熒光,在紫外燈下轉(zhuǎn)化菌株菌體發(fā)出明亮的綠色熒光,細(xì)菌形狀成桿狀。表明質(zhì)粒PCD4033-GFP已成功轉(zhuǎn)入植物乳桿菌中,且GFP成功表達(dá)。
2.2.1 生長曲線及不同生長階段熒光強(qiáng)度的測定
標(biāo)記前后菌株的生長曲線如圖2所示。在相同的生長環(huán)境下,所有菌株標(biāo)記前后的生長曲線的變化趨勢基本相同。P1和P1G的生長曲線幾乎吻合,OD600最終均達(dá)到7.2左右;P3和P3G的生長曲線完全一致,OD600最終均達(dá)到4.2左右;P2G和P4G的生長速度比標(biāo)記前略有滯后,但P2和P2G的OD600最終穩(wěn)定在4.0左右,P4和P4G穩(wěn)定在7.4左右。在王晶等[24]的研究中也發(fā)現(xiàn)標(biāo)記后的菌株出現(xiàn)生長略微滯后的現(xiàn)象。綜上,GFP基因標(biāo)記對植物乳桿菌生長幾乎不影響。
對于熒光強(qiáng)度,轉(zhuǎn)化后的這4株植物乳桿菌的熒光強(qiáng)度隨著時(shí)間變化的趨勢基本一致(圖2)。指數(shù)期前期熒光強(qiáng)度隨著吸光度的增加而顯著增加,當(dāng)吸光度在2.5~3.0,熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值。隨后,熒光強(qiáng)度隨著吸光度的增加顯著降低至一個(gè)穩(wěn)定的水平;對于熒光強(qiáng)度的最高水平,不同的菌株之間存在一定的差異,其中熒光強(qiáng)度相對較高的是P4G,大約為25。
a-P1、P1G;b-P2、P2G;c-P3、P3G;d-P4、P4G圖2 標(biāo)記前后菌株的生長動(dòng)力學(xué)曲線及不同生長階段的熒光強(qiáng)度Fig.2 Growth curve of wild strains and labeled strains and fluorescence intensity at different growth stages
2.2.2 胃酸耐受性和膽鹽耐受性的測定
乳酸菌經(jīng)口服進(jìn)入機(jī)體后,只有能夠抵抗較強(qiáng)的胃酸和膽鹽,才能在腸道中存活繼而發(fā)揮其益生功效[25]。圖3可以看出, P1、P2、P4標(biāo)記前后的菌株在模擬胃液3 h后,依然保持85%~100%的高存活率,表現(xiàn)出良好的胃酸耐受性;P3標(biāo)記前后的菌株在模擬胃液3 h后存活率均顯著降低。但在模擬腸液4 h后,所有的菌株存活率顯著降低,其中存活率相對較高的P1、P2、P3標(biāo)記前后的菌株,存活率也只有5%~10%,所有菌株對膽鹽的耐受性都比較弱,但是,所有菌株標(biāo)記前后對胃酸和膽鹽的耐受性沒有顯著差別(P>0.05)。
a-P1;b-P2;c-P3;d-P4圖3 標(biāo)記前后菌株的酸耐受性和膽鹽耐受性的結(jié)果Fig.3 The tolerance to acid and bile salts of wild strains and labeled strains
2.2.3 凍存前后的活菌數(shù)及熒光強(qiáng)度的變化
由圖4可知,被GFP標(biāo)記前和標(biāo)記后的菌株在凍存的2周內(nèi),活菌數(shù)和熒光強(qiáng)度均沒有顯著性變化(P>0.05)。對于活菌數(shù),凍存期間所有菌株基本維持在10.5 lgCFU/mL左右。對于熒光強(qiáng)度,P2G、P3G、P4G均維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平,凍存前后沒有明顯的變化;P1G的熒光強(qiáng)度在第2周時(shí)有輕微的上調(diào),但與凍存前和凍存1周的結(jié)果比較并沒有顯著的差異(P>0.05)。所以-80℃凍存2周對于標(biāo)記前后植物乳桿菌的活菌數(shù)和熒光強(qiáng)度沒有影響。
a-P1;b-P2;c-P3;d-P4圖4 凍存期間活菌數(shù)及熒光強(qiáng)度的變化Fig.4 Results of viable cell count and fluorescence intensity after cryopreservation
2.2.4 對低聚果糖(FOS)利用能力的測定
標(biāo)記前后的菌株對FOS利用情況如表2所示。P1、P2、P4標(biāo)記前后的菌株接種到葡萄糖平板和FOS平板,培養(yǎng)20 h后,平板均由紫色變成了黃色,所以P1、P2、P4標(biāo)記前后均可以利用葡萄糖和FOS。P3標(biāo)記前后的菌株接種到葡萄糖平板上,培養(yǎng)20 h后紫色變成了黃色;接種到FOS平板上培養(yǎng),沒有黃色產(chǎn)生,綜上可知,P3標(biāo)記前后都不具備利用FOS的能力。綜上可知,GFP基因標(biāo)記植物乳桿菌后不影響菌株對FOS的利用能力。
表2 標(biāo)記前后的菌株對FOS利用情況Table 2 The use of FOS by wild strains and labeled strains
注:+表示可以利用;-表示不能利用。
2.2.5 抗生素最低抑制濃度(MIC)測定
由表3可知除了氯霉素外,轉(zhuǎn)化前和轉(zhuǎn)化后菌株的各種抗生素的MIC基本相同,所以轉(zhuǎn)化幾乎不影響菌株對抗生素的耐受性。氯霉素存在顯著差異的原因是,表達(dá)載體里的選擇標(biāo)記基因是氯霉素的抗性基因,所以標(biāo)記后的菌株都具備氯霉素的抗性。結(jié)果表明,除氯霉素外,GFP基因標(biāo)記植物乳桿菌,不影響菌株對抗生素的敏感性。
通過熒光顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)4株菌在紫外燈下發(fā)出明亮的綠色熒光,表明用GFP基因成功標(biāo)記了4株植物乳桿菌,而且GFP的表達(dá)量在不同的植物乳桿菌中存在差異,在P4G中的表達(dá)量最高(≈25)。標(biāo)記前后,P1和P3的生長曲線幾乎吻合,P2和P4被GFP標(biāo)記后生長略有滯后,但趨勢基本相同,表明GFP標(biāo)記不影響植物乳桿菌的生長情況,GORY等[26]發(fā)現(xiàn)Lactobacillussake被GFP標(biāo)記后,生長略有滯后,正常生長不受影響。P1、P2、P4這3株植物乳桿菌標(biāo)記 前后的菌株,經(jīng)過3 h模擬胃液存活率均高于85%,P3和P3G的存活率分別是65%和61%,所有菌株經(jīng)過4 h的模擬腸液后存活率均低于11%,結(jié)果表明GFP標(biāo)記不影響植物乳桿菌對胃酸和膽鹽的耐受性(P>0.05),此結(jié)果與王晶等[27]的研究結(jié)果一致。在-80℃凍存的2周內(nèi),所有植物乳桿菌的活菌數(shù)均沒有顯著性變化(P>0.05),表明GFP標(biāo)記不影響植物乳桿菌對低溫的耐受性,可以一次性制備菌體凍存于-80℃供動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用。FOS利用能力的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),P1、P2、P4標(biāo)記前后均可以利用FOS,但是P3和P3G均不具備FOS利用的能力,表明GFP標(biāo)記不影響植物乳桿菌對FOS的利用能力。從抗生素最低抑制濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,標(biāo)記后4株植物乳桿菌對氯霉素具有抗性,對其他抗生素的敏感性幾乎沒有變化,這是因?yàn)樵谥亟M過程中帶入了氯霉素抗性基因作為標(biāo)記基因[18-19],所以GFP標(biāo)記不影響植物乳桿菌對抗生素的敏感性,王晶等[27]發(fā)現(xiàn)GFP標(biāo)記不改變植物乳桿菌對除紅霉素外其他藥物的耐藥性,表達(dá)載體的標(biāo)記基因選擇的是紅霉素。
表3 抗生素對微生物生長的最低抑制濃度 單位:μg/mL
注:R表示耐受,數(shù)字表示最低耐受濃度。
綜上,植物乳桿菌被GFP標(biāo)記后的生物學(xué)特性具有穩(wěn)定性,為利用GFP基因標(biāo)記植物乳桿菌評(píng)價(jià)其定植能力和作用機(jī)理解析奠定了基礎(chǔ)。