周銘典,蔡冠竟,寧 靜,朱葛夫
(1.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,廈門361021;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)
吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)是一種重要的植物生長(zhǎng)激素,對(duì)植物的新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育都起著重要作用[1]。IAA 除了能由植物體少量合成之外,還能被特定功能性微生物代謝所產(chǎn)生。自1979 年Tien等[2]發(fā)現(xiàn)巴西固氮螺菌可以合成IAA 以來,大量IAA產(chǎn)生菌被研究人員從自然環(huán)境中分離出來,其中以固氮螺菌屬(Azospirillum sp.)、鏈霉菌屬(Streptomyces sp.)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter sp.)、假單胞菌屬(Pseudo?monas sp.)和芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)等為主[3-5]。IAA 產(chǎn)生菌作為重要的微生物資源,可以通過產(chǎn)生促生長(zhǎng)的活性物質(zhì)來影響新陳代謝,刺激植物生長(zhǎng),國(guó)內(nèi)外在分離和利用功能菌等方面有諸多報(bào)道[6]。因此,繼續(xù)篩選和分離具有產(chǎn)IAA 功能的微生物仍是農(nóng)業(yè)微生物學(xué)研究的基本內(nèi)容和重要工作之一。
目前,已發(fā)現(xiàn)的IAA 產(chǎn)生菌主要來源于植物表面、作物根際土壤和海洋環(huán)境等,如胡澤瑞等[7]從三葉鬼針草內(nèi)分離到高產(chǎn)IAA 的固氮芽孢桿菌,張振[8]從植物根際土壤中分離得到IAA 產(chǎn)生菌。然而,關(guān)于從堆肥中分離IAA 產(chǎn)生菌的研究尚鮮有報(bào)道。堆肥作為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物(畜禽糞便和剩余秸稈等)無害化和資源化處理的重要手段,其體系內(nèi)的微生物種類繁多且種群更迭迅速[9]。由于IAA 產(chǎn)生菌對(duì)分離來源具有較高環(huán)境適應(yīng)潛力和定植能力[10],故從堆肥中篩選具有產(chǎn)IAA 能力的微生物對(duì)堆肥生物菌劑的研發(fā)與利用具有重要意義。本研究從豬糞堆肥體系中分離出1 株高產(chǎn)IAA 菌株29B,對(duì)其進(jìn)行了分類鑒定,并利用單因素試驗(yàn)對(duì)菌株培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化以提高IAA 產(chǎn)量,為合理開發(fā)利用該菌提供理論依據(jù)。
1.1.1 樣品采集
供試樣品取自福建省廈門市城市環(huán)境研究所科研溫室內(nèi)一處豬糞堆肥堆體內(nèi),樣品采集于滅菌袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室后置于冰箱4 ℃保存,并于48 h 內(nèi)完成分離培養(yǎng)。
1.1.2 主要試劑
L-色氨酸(純度>99%)和IAA 分析標(biāo)準(zhǔn)品(純度>99.9%)購(gòu)于aladdin 公司;16S rDNA 引物由上海捷瑞生物工程有限公司合成;擴(kuò)增試劑盒購(gòu)自TaKaRa 公司;其他試劑均購(gòu)自國(guó)藥控股股份有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
LB液體培養(yǎng)基(g/L):胰化蛋白胨10.0,酵母提取物5.0,氯化鈉10.0,pH 值調(diào)至7.0~7.2,121 ℃滅菌20 min。LB 固體培養(yǎng)基(g/L):瓊脂粉20.0,其余同LB液體培養(yǎng)基。含L-色氨酸的LB 液體培養(yǎng)基:配置高濃度L-色氨酸母液,使用細(xì)菌過濾器將母液注入LB液體培養(yǎng)基中,使得培養(yǎng)基中L-色氨酸終濃度為3 mmol/L。
1.1.4 主要儀器
OHAUS-CP224C電子天平、AIRTECH SW-CJ-1FD潔凈工作臺(tái)、LDZX-50KB-II 立式壓力蒸汽滅菌器、TENSUC LRH-250F 生化培養(yǎng)箱、TS 80C 恒溫?fù)u床、Sartorius PB-10 酸度計(jì)、HERMLE Z 216 MK 高速離心機(jī)、T960 熱循環(huán)儀、ONLAB EU-2600 掃描型紫外可見分光光度計(jì)、Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。
1.2.1 IAA產(chǎn)生菌定性初篩
稱取10 g 堆肥樣品于250 mL 錐形瓶中,加入100 mL 無菌水后于120 r/min 搖床中振蕩20 min,靜置10 min 后濾去雜質(zhì),可得到質(zhì)量濃度為0.1 mg/L 的菌懸液。用無菌水將菌懸液梯度稀釋至10-1~10-9mg/L,然后將10-5~10-8稀釋度的菌液涂布至LB 固體培養(yǎng)基上,放置于30 ℃恒溫箱中培養(yǎng)2 d。挑取不同類型的單菌落,制成單菌落的LB 固體培養(yǎng)基(斜面)置于4 ℃冰箱中保存待用。
采用Salkowski 比色法對(duì)IAA 產(chǎn)生菌進(jìn)行篩選。活化單菌落斜面上的細(xì)菌,接種于LB 液體培養(yǎng)基中,在30 ℃、120 r/min 的搖床中振蕩培養(yǎng)。按2%(體積分?jǐn)?shù))接種量取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的上述菌懸液(1.0×108~1.0×109CFU/mL)接種至含L-色氨酸的LB 液體培養(yǎng)基中,在30 ℃、120 r/min 的搖床中振蕩培養(yǎng)96 h。取50 μL菌懸液滴于96透明孔板中,加入等量Salkows?ki顯色試劑(1 mL 0.5 mol/L FeCl3與50 mL 35%HClO4混合)[11],并以IAA 標(biāo)準(zhǔn)溶液作為陽(yáng)性對(duì)照。將96 透明孔板置于室溫下避光放置30 min,觀察到顏色變成粉紅色則表示菌株具有產(chǎn)IAA能力。
1.2.2 產(chǎn)IAA能力定量復(fù)篩
試驗(yàn)參照Apine 等[12]的IAA 濃度測(cè)定方法。取2 mL 菌懸液,8 000 r/min 離心5 min,加入等量Salkowski試劑后置于室溫避光處,30 min 后用紫外可見分光光度計(jì)于波長(zhǎng)530 nm 處測(cè)定其吸光度。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線計(jì)算單位體積發(fā)酵液中IAA 含量,從中篩選出產(chǎn)IAA 能力強(qiáng)的菌株。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線通過梯度稀釋IAA分析標(biāo)準(zhǔn)品繪制。
1.2.3 菌株鑒定
形態(tài)學(xué)觀察。將菌株在固體LB 培養(yǎng)基上劃線,放置于30 ℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。觀察其在固體培養(yǎng)基上形成的菌落形狀、顏色、表面質(zhì)地以及邊緣等形態(tài)特征。用戊二醛對(duì)菌體進(jìn)行固定,經(jīng)酒精梯度脫水、二氧化碳臨界點(diǎn)干燥和噴金等處理后,使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察拍照。生理生化特征鑒定。參照《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》和《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》(第8 版)進(jìn)行生理生化鑒定[13-14]。分析生物學(xué)鑒定。采用煮沸法提取DNA。取1 mL 菌液,置于4 ℃,7 000 r/min 離心5 min;倒掉上清液,用1 mL 生理鹽水重溶沉淀,該步驟重復(fù)2次;用100 μL蒸餾水重溶沉淀,振蕩均勻后置于100 ℃沸水中煮沸5~10 min;取出后置于4 ℃,10 000 r/min 離心5 min,取上清液作為DNA 模板。采用細(xì)菌16S rDNA 通用引物27F/1492R(正向引物:5'-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG -3';反向引物:5'-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3')進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR 反應(yīng)在50 μL 體系中進(jìn)行:Premix Taq(TaKaRa Taq Version 2.0 plus dye)25 μL,ddH2O 15 μL,正向引物和反向引物(10 μmol/L)各2.5 μL,DNA模板5 μL。反應(yīng)程序?yàn)?4 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min,55 ℃退火1 min,72 ℃延伸2 min,共30 個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物送往上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司測(cè)序。測(cè)序結(jié)果在EzBioCloud 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行同源性分析,并選出同源性高的菌株的16S rDNA序列用MEGA 7.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
試驗(yàn)以培養(yǎng)液中IAA 含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素優(yōu)化試驗(yàn),考察因素有培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)、初始pH值、接種量及培養(yǎng)溫度,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行樣。
1.3.1 培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng) 將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌懸液按2%(體積分?jǐn)?shù))接種量接種至含L-色氨酸的LB 液體培養(yǎng)基中,置于搖床30 ℃、120 r/min 條件下振蕩培養(yǎng)。在24、36、48、60、72、84、96、108、120、132、144、156 和168 h破壞性取樣,按照定量測(cè)定方法檢測(cè)IAA 含量,確定最佳培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)。
1.3.2 初始pH 值 將含L-色氨酸的LB 液體培養(yǎng)基的pH 值分別調(diào)至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 和9.0,按2%(體積分?jǐn)?shù))接種量接種處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌懸液,置于搖床30 ℃、120 r/min 條件下振蕩培養(yǎng)108 h,按照定量測(cè)定方法檢測(cè)IAA含量,確定最佳初始pH值。
1.3.3 接種量 將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌懸液按不同接種量(體積分?jǐn)?shù),1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%和10.0%)接種至含L-色氨酸的LB 液體培養(yǎng)基中,置于搖床30 ℃、120 r/min 條件下振蕩培養(yǎng)108 h,按照定量測(cè)定方法檢測(cè)IAA含量,確定最佳接種量。
1.3.4 培養(yǎng)溫度 將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌懸液按2%(體積分?jǐn)?shù))接種量接種至含L-色氨酸的LB 液體培養(yǎng)基中,調(diào)整搖床溫度分別為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃和45 ℃,于120 r/min條件下振蕩培養(yǎng)108 h,按照定量測(cè)定方法檢測(cè)IAA含量,確定最佳培養(yǎng)溫度。
2.1.1 菌株篩選
從豬糞堆肥樣品中共分離出89 株細(xì)菌,利用吲哚乙酸與Salkowski 試劑反應(yīng)呈粉紅色,初步篩選出編號(hào)為29B、33C 和YZ 的菌株具有產(chǎn)IAA 能力。對(duì)上述菌株進(jìn)行IAA 產(chǎn)量定量測(cè)定,并通過標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線換算得到菌株29B、33C 和YZ 的IAA 產(chǎn)量分別為54.73、39.18 和16.32 μg/mL。將本試驗(yàn)分離的菌株與文獻(xiàn)中報(bào)道的IAA 產(chǎn)生菌進(jìn)行比較(表1),發(fā)現(xiàn)菌株29B 產(chǎn)IAA 能力高于孫雪等[3]從鹽堿地以及田會(huì)會(huì)等[15]從重金屬污染土樣中分離得到的IAA 產(chǎn)生菌,略低于張振[8]從植物根際土壤中分離得到的IAA 產(chǎn)生菌。此外,菌株YZ產(chǎn)IAA能力為3株菌中最低,菌株33C低于菌株29B,故最終確定菌株29B為研究對(duì)象。
表1 其他分離來源的IAA產(chǎn)生菌產(chǎn)量Table 1 Yield of IAA-producing bacteria from other sources
2.1.2 菌株鑒定
形態(tài)學(xué)觀察。由圖1(a)可知,菌株29B 在LB 固體培養(yǎng)基上形成的菌落為淡黃色隆起,近圓形,表面光滑,邊緣整齊。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),菌體呈棒桿狀,具體見圖1(b)。
圖1 菌株29B菌落形態(tài)(a)和掃描電鏡圖(b)Figure 1 The colony morphology characteristic(a)and morphological features(b)of strain 29B
生理生化特征鑒定。部分生理生化指標(biāo)如表2 所示。
表2 菌株29B生理生化特征Table 2 Physiological and biochemical properties of strain 29B
分析生物學(xué)鑒定。對(duì)菌株29B 的16S rDNA 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,產(chǎn)物測(cè)序后獲得長(zhǎng)度為1 436 bp 的序列。將菌株29B 的16S rDNA 基因序列在EzBioCloud 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行序列比對(duì),發(fā)現(xiàn)菌株29B 與停滯棒桿菌DSM 20302(Corynebacterium stationis DSM 20302)序列相似度最高,達(dá)到98.67%。根據(jù)對(duì)比結(jié)果選取近緣菌株構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(圖2),在進(jìn)化樹上菌株29B 與Co?rynebacterium stationis DSM 20302 位于同一支。此外,模式菌株Corynebacterium stationis DSM 20302 的特征為革蘭氏陽(yáng)性菌,菌體呈短棒狀,直徑為0.6~1.0 mm,可單個(gè)、成對(duì)或呈V 字形排列,過氧化氫酶陽(yáng)性,硝酸鹽還原試驗(yàn)陽(yáng)性,不產(chǎn)生脫氧核糖核酸酶和吲哚,可堿化檸檬酸,可與葡萄糖緩慢反應(yīng)產(chǎn)生酸,與甘露糖反應(yīng)弱,與木糖、甘露醇、乳糖、半乳糖、麥芽糖和甘油等不反應(yīng)[17]。將表2 中菌株29B 的生理生化特征與模式菌株進(jìn)行兩兩比對(duì),可以發(fā)現(xiàn)除吲哚試驗(yàn)與檸檬酸鹽利用試驗(yàn)結(jié)果不同外,菌株29B 的其他鑒定指標(biāo)與模式菌株特征記錄一致,造成這一差異的原因可能與基因序列非完全一致及菌株分離生境有關(guān)。特別值得注意的是,菌株29B 吲哚試驗(yàn)呈陽(yáng)性表明其能分解色氨酸生成吲哚,符合本試驗(yàn)中菌株29B 具有產(chǎn)IAA 能力的特征。結(jié)合以上信息,將菌株29B 鑒定為停滯棒桿菌(Corynebacterium stationis),并于2019 年11 月25 日保藏于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心,保藏編號(hào)為CGMCC No.19005。
菌株安全性。棒狀桿菌屬(Corynebacterium)細(xì)菌種類較多,其中白喉棒狀桿菌有致病性可引起白喉,類白喉?xiàng)U菌如假白喉棒狀桿菌、痤瘡棒狀桿菌、結(jié)膜干燥桿菌等為非致病菌。目前,停滯棒桿菌(Corynebacteri?um stationis)無致病性報(bào)道,且Bernard 等[17]研究發(fā)現(xiàn)Corynebacterium stationis DSM 20302(=ATCC 14403)不存在白喉毒桿菌基因,可初步判定菌株29B 不具有致病性。此外,同種屬菌株Corynebacterium stationis ATCC 6872 因有很強(qiáng)的三磷酸腺苷再生活性和能提供足夠的磷酸核糖焦磷酸,一直以來被廣泛應(yīng)用于核苷酸的工業(yè)生產(chǎn)中,且尚無生物安全性疑慮相關(guān)報(bào)道,但日后進(jìn)一步開發(fā)利用菌株29B(如微生物菌劑研發(fā)、生物有機(jī)肥等)仍需進(jìn)行全面的體外安全性評(píng)估。
圖2 菌株29B基于16S rDNA序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Figure 2 Phylogenetic tree of strain 29B based on 16S rDNA sequences
2.2.1 培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響
由圖3 可知,培養(yǎng)基中IAA 含量在前108 h 不斷增加,在84~108 h 的IAA 含量增長(zhǎng)率最快,并于108 h 達(dá)到峰值81.42 μg/mL。此后,IAA 含量開始下降,在132 h 的IAA 含量?jī)H為峰值的51.57%。IAA 含量隨時(shí)間增長(zhǎng)先上升后下降的變化趨勢(shì)與鄭文波等[18]試驗(yàn)結(jié)果一致。造成該現(xiàn)象的原因可以從兩個(gè)方面解釋:一方面IAA 為色氨酸代謝產(chǎn)物,細(xì)胞進(jìn)入穩(wěn)定期后會(huì)產(chǎn)生大量次生代謝產(chǎn)物,所以IAA 含量隨時(shí)間增加而顯著升高。隨后細(xì)菌進(jìn)入衰亡期,培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及色氨酸被消耗殆盡且其他有害代謝產(chǎn)物不斷積累,細(xì)菌生長(zhǎng)速度放緩、死亡數(shù)增多,其生理代謝活動(dòng)趨于停滯不再產(chǎn)生IAA。另一方面,前人研究表明過氧化物酶類能降解IAA,且Zhu 等[19]發(fā)現(xiàn)隨著IAA 含量增加,IAA 會(huì)與過氧化氫酶結(jié)合形成復(fù)合體。由過氧化氫酶試驗(yàn)呈陽(yáng)性,可知菌株29B 能產(chǎn)生過氧化氫酶,故IAA被消耗會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
2.2.2 初始pH值對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響
由圖4可知,培養(yǎng)基初始pH值在6.0~8.0時(shí),菌株29B 具有較高的IAA 產(chǎn)量,并在pH 7.0 時(shí)達(dá)到76.30 μg/mL。隨著初始pH 值繼續(xù)升高,IAA 產(chǎn)量呈下降趨勢(shì),在pH 9.0 時(shí)約為峰值的一半。在初始pH 值為4.0時(shí),IAA 產(chǎn)量最低僅為4.49 μg/mL。該結(jié)果與江緒文等[5]從藿香體內(nèi)分離出的IAA 產(chǎn)生菌的pH 值范圍一致,而不同于Chandra 等[20]從植物根際土壤中篩出菌株在pH 9.0 時(shí)IAA 產(chǎn)量才達(dá)到最高。造成該現(xiàn)象一方面是因?yàn)榫攴蛛x來源不同,菌株29B 適宜的pH 值范圍與堆肥過程中pH波動(dòng)范圍一致;另一方面,pH值會(huì)影響菌株對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、利用能力以及代謝酶活性,由于不同細(xì)菌種屬對(duì)pH 值耐受能力不一樣,故會(huì)造成產(chǎn)IAA能力的差異。
圖3 不同培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響Figure 3 Effects of different culture duration on IAA secretion of strain 29B
圖4 不同初始pH值對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響Figure 4 Effects of different initial pH on IAA secretion of strain 29B
2.2.3 接種量對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響
由圖5 可知,當(dāng)接種量為2%時(shí),菌株29B 產(chǎn)IAA能力最強(qiáng)。當(dāng)接種量大于2%并繼續(xù)增加時(shí),IAA 含量發(fā)生明顯下降。造成該現(xiàn)象的原因是菌株29B 為好氧菌,在提高接種量而含氧量不變的情況下,菌體成倍繁殖會(huì)造成培養(yǎng)基黏度增大,從而影響菌株生長(zhǎng)。此外,IAA合成為好氧代謝過程,培養(yǎng)基在缺氧時(shí)不利于菌株產(chǎn)IAA[18]。當(dāng)接種量增至10%,菌液中的IAA 含量并未似預(yù)期降為最低,反而出現(xiàn)了小幅升高。這可能與菌株大量繁殖并在接種前期積累了大量IAA 有關(guān),但隨著氧氣被快速消耗,IAA不再合成甚至被末端氧化酶等降解導(dǎo)致含量降低。
2.2.4 培養(yǎng)溫度對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響
由圖6 可知,菌株29B 在培養(yǎng)溫度為20 ℃~35 ℃時(shí),IAA 產(chǎn)量隨溫度升高而增加。在培養(yǎng)溫度為35 ℃時(shí),IAA 產(chǎn)量最高可達(dá)138.87 μg/mL,比未優(yōu)化前的產(chǎn)量提高了153.74%。當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí),IAA 產(chǎn)量急速下降,在45 ℃時(shí)降至9.09 μg/mL,與峰值相比降低了93.46%。試驗(yàn)結(jié)果表明菌株29B 的最適培養(yǎng)溫度為35 ℃,對(duì)40 ℃及以上高溫敏感。此外,通過比較前述單因素試驗(yàn)結(jié)果可知,優(yōu)化培養(yǎng)溫度對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA 能力的影響最為明顯。造成該現(xiàn)象的直接原因可能與溫度影響細(xì)胞內(nèi)酶的代謝活動(dòng)有關(guān),隨著溫度升高產(chǎn)IAA 相關(guān)酶活性會(huì)逐漸增強(qiáng),到達(dá)最適溫度后繼續(xù)升高,則會(huì)導(dǎo)致酶活性降低甚至失活,從而直接影響菌株分泌IAA能力。
圖5 不同接種量對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響Figure 5 Effects of different inoculation amounts on IAA secretion of strain 29B
圖6 不同培養(yǎng)溫度對(duì)菌株29B產(chǎn)IAA的影響Figure 6 Effects of different temperature on IAA secretion of strain 29B
本試驗(yàn)從豬糞堆肥體系中篩選獲得一株產(chǎn)IAA 能力較強(qiáng)的菌株29B,通過生理生化試驗(yàn)以及16S rDNA序列比對(duì),將菌株29B 鑒定為停滯棒桿菌(Corynebacte?rium stationis)。菌株29B 產(chǎn)IAA 的最佳培養(yǎng)時(shí)間為108 h,最佳初始pH 值為7.0,最佳接種量(體積分?jǐn)?shù))為2%,最佳培養(yǎng)溫度為35 ℃。此外,IAA 產(chǎn)生菌中鮮有停滯棒桿菌被報(bào)道,因此停滯棒桿菌29B 的獲得豐富了功能微生物的菌株資源,為后續(xù)微生物菌肥尤其針對(duì)豬糞堆肥中IAA 產(chǎn)生菌的開發(fā)應(yīng)用提供更多選擇。