胡連清,劉雯雯,陳 露,周萬海*,馮瑞章,魏 琴,趙 鑫,唐馨宇,張玉婷
(1.宜賓學(xué)院 農(nóng)林與食品工程學(xué)部,四川 宜賓 644000;2.香料植物資源開發(fā)與利用四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 宜賓 644000)
宜賓釀酒專用糯紅高粱為國(guó)家地理標(biāo)志的保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品[1-2]。糯紅高粱的熟期短,淀粉結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,富含有較大部分未完全轉(zhuǎn)化的中間物質(zhì),且蛋白、脂肪和單寧含量適中,適于酵母等發(fā)酵微生物生長(zhǎng),作為釀酒原料其在釀酒過程中表現(xiàn)出易糊化、易發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)[3-4],是釀造優(yōu)質(zhì)白酒的主要原料之一[2]。關(guān)于糯紅高粱內(nèi)生酵母菌株應(yīng)用于發(fā)酵行業(yè)的報(bào)道鮮見,糯紅高粱中的內(nèi)生酵母菌種類豐富,但在各行業(yè)中的開發(fā)率以及利用率則較低,因此研究糯紅高粱內(nèi)生酵母菌的種類、內(nèi)生酵母菌株的發(fā)酵性能,為后續(xù)將其應(yīng)用于發(fā)酵行業(yè)具有重要意義。
植物內(nèi)生菌是指能夠在健康的植物組織中定殖與植物和諧共生卻又不產(chǎn)生明顯癥狀的微生物共生體[5-6]。植物內(nèi)生酵母為植物內(nèi)生菌中的一個(gè)大類,其生命周期的一部分時(shí)間內(nèi)定殖于健康植物組織中,且不會(huì)對(duì)寄主植物造成損害,它與寄主在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成了相互依存、互惠互利的共生關(guān)系[7-8]。植物內(nèi)生酵母可在生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的一些植物激素與其他因子促進(jìn)寄主植物的生長(zhǎng),并維持寄主植物的健康,其擅長(zhǎng)利用植物的己糖和戊糖,并且植物內(nèi)生酵母對(duì)植物化學(xué)物質(zhì)的耐受性更強(qiáng)[9]。一些研究者將分離出的植物內(nèi)生酵母應(yīng)用于食品發(fā)酵行業(yè),如從無花果[10]、葡萄[11]、枸杞[12]和桑葚[13]等果實(shí)中分離出可以用于釀酒的內(nèi)生酵母菌株。普通的釀酒酵母菌僅能發(fā)酵六碳糖,而不能發(fā)酵由五碳糖組成的木質(zhì)纖維素,而BURA R等[14]從楊樹中分離的紅酵母皆能發(fā)酵五碳糖木糖和六碳糖葡萄糖,因此其在該方面植物內(nèi)生酵母優(yōu)于工業(yè)酵母菌株。以往有關(guān)植物內(nèi)生菌中的內(nèi)生酵母的研究較少,大都多集中在對(duì)多年生木本植物的研究上,且分離出的植物內(nèi)生酵母極少[15];對(duì)糯紅高粱的研究也多集中在分類、種質(zhì)資源收集評(píng)價(jià)、品種選育和栽培管理技術(shù)方面,而對(duì)其內(nèi)生酵母的研究則鮮見,尤其是品種、器官組織對(duì)其菌群結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。
本研究以宜賓地區(qū)釀酒專用的糯紅高粱為試驗(yàn)材料,分析花期糯紅高粱不同品種的不同組織中內(nèi)生酵母多樣性,并通過選擇培養(yǎng)基篩選功能酵母,以揭示花期糯紅高粱內(nèi)生酵母多樣性及群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,為更深入探究功能內(nèi)生酵母在宿主生長(zhǎng)發(fā)育上起何種作用提供基礎(chǔ)支撐。
1.1.1 原料糯紅高粱(雜交種金糯粱1號(hào)、地方品種青殼洋):宜賓市翠屏區(qū)農(nóng)牧局農(nóng)技推廣中心。
1.1.2 試劑
Goldview I型核酸染色劑、2×Taq聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)Master Mix、脫氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid,DNA)Maker、GoldView、Lysis Buffer Direct PCR裂解液:大連寶生物有限公司;引物NL1、NL2:由上海生工生物有限公司合成。
1.1.3 培養(yǎng)基
分離培養(yǎng)基為馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養(yǎng)基、酵母膏胨葡萄糖瓊脂(yeast extract peptone dextrose agar,YEPD)培養(yǎng)基、酵母麥芽瓊脂(yeast malt agar,YM)培養(yǎng)基;鑒定培養(yǎng)基為WL營(yíng)養(yǎng)瓊脂;選擇培養(yǎng)基為淀粉瓊脂培養(yǎng)基、脫脂乳培養(yǎng)基、三丁酸甘油酯瓊脂培養(yǎng)基、果膠瓊脂培養(yǎng)基、吐溫-80瓊脂培養(yǎng)基:成都新界實(shí)驗(yàn)器材有限公司。
JJ060387超凈工作臺(tái):吳江市凈化設(shè)備總廠;LDZX-75KBS高溫蒸汽滅菌鍋:上海申安醫(yī)療器械廠;DHG-9620A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、LRH-70恒溫培養(yǎng)箱:上海一恒科技有限公司;UPT-Ⅰ-50優(yōu)普超純?nèi)∷畽C(jī):成都市超純科技有限公司;HH-6恒溫水浴鍋、DYCR-8C恒溫振蕩器:上海高致精密儀器有限公司;Ks48+PCR儀:冠森生物科技(上海)有限公司;JS-2000凝膠電泳儀:上海培清科技有限公司;AR2130電子分析天平:德國(guó)賽多利斯集團(tuán)。
1.3.1 糯紅高粱內(nèi)生酵母的分離與保藏
表面消毒處理參考劉曉靜等[16]的方法并進(jìn)行一定的優(yōu)化,糯紅高粱各組織表面消毒的具體操作方法如下:根部按流水沖洗60 min,無菌水洗滌2次,體積分?jǐn)?shù)75%無菌乙醇處理1 min,無菌水洗滌1次,5%NaClO處理3 min,體積分?jǐn)?shù)75%無菌乙醇處理1 min;莖部按流水沖洗60 min,無菌水洗滌2次,體積分?jǐn)?shù)75%無菌乙醇處理0.5 min,無菌水洗滌1次,4%NaClO處理4 min,體積分?jǐn)?shù)75%無菌乙醇處理20 s;葉和花部按流水沖洗60 min,無菌水洗滌2次,體積分?jǐn)?shù)75%無菌乙醇處理20 s,無菌水洗滌1次,3%NaClO處理3 min,體積分?jǐn)?shù)75%無菌乙醇處理20 s,最后用無菌水沖洗3次完成表面無菌化處理。參照胡連清等[17]的方法用滅菌剪刀根據(jù)器官組織形狀特點(diǎn)切割成小塊,分別接種至PDA、YEPD和YM種分離培養(yǎng)基上,并將最后一次無菌水洗滌液涂布于相同培養(yǎng)基上作為空白對(duì)照,以檢驗(yàn)消毒效果,然后將接種后的平板置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3~5 d,當(dāng)組織塊傷口出現(xiàn)菌落時(shí),及時(shí)用接種環(huán)挑取菌落,連續(xù)劃線獲得純化菌株,最后進(jìn)行YPD培養(yǎng)基的斜面和甘油管保藏。
1.3.2 糯紅高粱內(nèi)生酵母分類鑒定方法
將分離獲得的菌株劃線接種于WL培養(yǎng)基[18-19],25 ℃培養(yǎng)3 d,觀察單菌落的形態(tài)特征。同時(shí),在顯微鏡下觀察酵母的細(xì)胞形態(tài)以此對(duì)分離到的酵母菌株進(jìn)行初步的形態(tài)分類。從上述平板培養(yǎng)基上挑取單菌落酵母菌體,加入Lysis Buffer Direct PCR裂解液,水浴15 min后離心,取上清液直接用通用引物NL1和NL2對(duì)26S rDNA D1/D2區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系:5 μL DNA模板、1 μL NL1(10 mmol/L)、1μLNL2(10 mmol/L)、25 μL 2×TaqPCR Master Mix、18 μL ddH2O;PCR擴(kuò)增程序:94℃預(yù)變性4min,94℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸45 s,32個(gè)循環(huán),72 ℃再延伸10 min[20]。PCR擴(kuò)增目標(biāo)產(chǎn)物1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)合格后送上海生工測(cè)序。用美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)網(wǎng)站基于局部比對(duì)搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)程序進(jìn)行序列比對(duì)。
1.3.3 酵母菌多樣性指數(shù)和相似性指數(shù)計(jì)算
量化的多樣性指數(shù)可反映植物生長(zhǎng)過程中內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)的演替變化規(guī)律[21]。根據(jù)鑒定的糯紅高粱內(nèi)生酵母菌和各測(cè)度指數(shù)的特點(diǎn),應(yīng)用生態(tài)學(xué)評(píng)價(jià)方法[22],計(jì)算不同組織中內(nèi)生酵母的豐富度數(shù)、香農(nóng)指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。
1.3.4 糯紅高粱內(nèi)生酵母功能菌鑒定
將1.3.1中純化得到的菌分別接種至淀粉瓊脂培養(yǎng)基、脫脂乳培養(yǎng)基、三丁酸甘油酯瓊脂培養(yǎng)基、果膠瓊脂培養(yǎng)基以及吐溫-80瓊脂培養(yǎng)基等選擇培養(yǎng)基上,置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3~5 d,觀察有無光(暈)圈產(chǎn)生,進(jìn)而判斷菌株的產(chǎn)酶功能。
1.3.5 糯紅高粱內(nèi)生酵母菌生化鑒定
采用杭州濱和微生物試劑有限公司生產(chǎn)的TH-15C生化管對(duì)分離得到的內(nèi)生酵母菌進(jìn)行生化鑒定。將分離純化的內(nèi)生酵母菌接種至YEPD液體培養(yǎng)基中,30 ℃條件下培養(yǎng)72 h,離心收集菌體,然后用0.85%的NaCl溶液稀釋制備成0.5麥?zhǔn)蠞岫鹊木鷳乙海?0 μL菌懸液加至不同的酵母樣真菌糖生化鑒定管中,同時(shí)做無糖陰性對(duì)照,在30 ℃條件下培養(yǎng)48~72 h,在電子放大鏡下觀察記錄加入菌液渾濁程度的變化,判斷分離內(nèi)生酵母對(duì)不同糖的利用能力。
采用傳統(tǒng)的平板分離法,從2個(gè)糯紅高粱花期的根、莖、葉和花組織中共分離到54株內(nèi)生酵母,其中從根中分離到10株,占分離總數(shù)的18.51%;莖中分離到28株,占分離總數(shù)的51.85%;葉中分離得到7株,占分離總數(shù)的12.96%,花中分離得到9株,占分離總數(shù)的16.68%。
將上述分離的酵母菌劃線接種至用WL營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,根據(jù)菌落的顏色和形態(tài)將其聚類,結(jié)果見表1。由表1可知,分離的54株酵母共分為8種形態(tài)類型,菌落顏色有淺綠色、淡藍(lán)色、乳白色、淡綠色、墨綠色、淺粉色、奶油色等,菌落質(zhì)地有光滑、粘稠,菌落有的平伏,有的中間隆起,表面有的光滑反光,有的光滑黯淡,菌落邊緣形態(tài)各異。
表1 糯紅高粱花期內(nèi)生酵母菌的形態(tài)Table 1 Morphology of endophytic yeasts in waxy sorghum at flowering stage
從糯紅高粱花期的根、莖、葉和花4個(gè)組織中分別分離出10、28、7、9株內(nèi)生酵母菌(表2),對(duì)分離得到的該54株酵母通過26S rDNA D1/D2區(qū)基因序列測(cè)序鑒定為12個(gè)屬17個(gè)種,分別為貝氏酵母(Begerowomyces)、粘質(zhì)皮狀新絲孢酵母(Cutaneotrichosporon)、隱球酵母(Cryptococcus)、鐮刀菌屬(Fusarium)、漢納酵母(Hannaella)、微曲酵母(Microbotryozyma)、莫氏黑粉菌(Moesziomyces)、金黃色蝶形擔(dān)孢酵母(Papiliotrema)、筑波擬酵母(Pseudozyma)、Symmetrospora、絲孢酵母菌(Trichosporon)與異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces),其中優(yōu)勢(shì)屬為隱球酵母(Cryptococcus),占40.74%;優(yōu)勢(shì)種為黃色隱球酵母(Cryptococcus luteolus),占35.17%。該結(jié)果表明糯紅高粱內(nèi)生酵母種類豐富多樣。
表2 糯紅高粱花期內(nèi)生酵母組成Table 2 Composition of endophytic yeasts in waxy sorghum at flowering stage
糯紅高粱為釀造白酒的優(yōu)質(zhì)原料[2],由此可推斷,從糯紅高粱中分離的內(nèi)生酵母的生長(zhǎng)性能以及發(fā)酵性能可能較為為優(yōu)良。探索特定植物物種中內(nèi)生酵母的多樣性,對(duì)了解它們?cè)谥参镏械墓δ芴峁┝嘶A(chǔ),而獲得可培養(yǎng)植物內(nèi)生酵母是對(duì)其進(jìn)行全基因組測(cè)序、定殖特點(diǎn)分析、理化性質(zhì)測(cè)定及其與植物互作機(jī)制解析的前提[23]。目前,有關(guān)植物內(nèi)生酵母的研究鮮見且多集中于多年生木本植物上;ZHAO J H等[24]從30棵北京油松松枝中分離得到3株內(nèi)生酵母;李亞輝等[25]從枸杞中分離得到6 株內(nèi)生酵母菌;MIDDELHOVEN W J[26]從紅杉的嫩枝中分離得到4種酵母菌種,表明其內(nèi)生酵母豐富多樣。
此外,從品種來分析,從金糯粱1號(hào)中分離得到41株內(nèi)生酵母,鑒定為11屬14種;從青殼洋中分離得到13株,鑒定為6屬6種。該結(jié)果表明金糯粱1號(hào)的內(nèi)生酵母多樣性優(yōu)于地方品種青殼洋,這可能是由于金糯粱1號(hào)為雜交新品種的緣故,相關(guān)內(nèi)容還需更進(jìn)一步的分析。金糯粱1號(hào)金糯粱1號(hào)與青殼洋兩品中花期的優(yōu)勢(shì)內(nèi)生酵母不一致且都為特有菌,金糯粱1號(hào)優(yōu)勢(shì)內(nèi)生酵母為黃色隱球酵母(Cryptococcus luteolus),而青殼洋的優(yōu)勢(shì)內(nèi)生酵母為Papiliotrema flavescens,說明不同糯紅高粱品種的內(nèi)生酵母菌組成存在一定的差異。該結(jié)果進(jìn)一步表明糯紅高粱中內(nèi)生酵母在各組織以及不同品種間可能具有不同的傳播機(jī)制。
由表3可知,莖內(nèi)生酵母的豐富度指數(shù)表現(xiàn)為莖>根>花>葉;糯紅高粱內(nèi)生酵母的均勻度指數(shù)表現(xiàn)為根>花>葉>莖,糯紅高粱內(nèi)生酵母菌優(yōu)質(zhì)度指數(shù)表現(xiàn)為花>根>莖>葉。該結(jié)果表明糯紅高粱根、莖、葉、花各部分的各項(xiàng)多樣性指數(shù)存在差異。
表3 花期糯紅高粱不同組織內(nèi)生酵母菌多樣性指數(shù)Table 3 Diversity indexes of endophytic yeasts in different tissues of waxy sorghum at flowering stage
利用淀粉瓊脂培養(yǎng)基、脫脂乳培養(yǎng)基、三丁酸甘油酯瓊脂培養(yǎng)基、果膠瓊脂培養(yǎng)基、吐溫-80瓊脂培養(yǎng)基等選擇培養(yǎng)基對(duì)分離得到的54株內(nèi)生酵母進(jìn)行功能鑒定,結(jié)果見表4。由表4可知,篩選出的54株酵母中,其中29株內(nèi)生酵母為功能酵母菌,F(xiàn)AJ28菌株的功能最為豐富,同時(shí)具有產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、產(chǎn)酯酶與纖維素酶5種功能;產(chǎn)酯酶的菌株最多,包括FAJ30、FBR14、FBF20、HBF22、FAL13、FAJ9等15株;產(chǎn)纖維素酶的內(nèi)生酵母菌較少,包括菌株FAL15、FAL17、FAJ18;另外結(jié)果還顯示,菌株FBJ15產(chǎn)淀粉酶能力最強(qiáng),菌株FAF8產(chǎn)蛋白酶能力最強(qiáng),菌株FAJ43產(chǎn)脂肪酶能力最強(qiáng);菌株HBF22產(chǎn)酯酶能力最強(qiáng)。
表4 花期糯紅高粱功能內(nèi)生酵母篩選Table 4 Screening of functional endophytic yeasts in waxy sorghum at flowering stage
植物內(nèi)生酵母能產(chǎn)生植物激素以及分泌一些可作為生物催化劑和抗菌劑的生物化學(xué)品,這些分泌物植物生長(zhǎng)方面也具有一定的促進(jìn)作用,如VAZ A B M等[27]從西蘭花中分離得到3株具有抗菌活性的內(nèi)生酵母;NASSAR A H等[28]從玉米中分離得到8株產(chǎn)生長(zhǎng)素IAA和IPYA的內(nèi)生酵母菌,并從楊樹中分離得到的內(nèi)生酵母菌株WP1顯著促進(jìn)了甜椒的生長(zhǎng),促使甜椒根與芽質(zhì)量的增加,并促使甜椒提前開花與結(jié)實(shí),同時(shí)顯著提高了果實(shí)的產(chǎn)量。本研究分離出的2株異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)FAL15與FAL17,經(jīng)鑒定為功能菌,有研究顯示,異常威克漢姆酵母菌類在發(fā)酵行業(yè)應(yīng)用廣泛,如制備低溫大曲[29]、釀造酒曲與醬油[30-31]、發(fā)酵面團(tuán)[32]、制成凍干菌劑[33]等,除此之外,該菌類耐低溫[34]、產(chǎn)酯[35]、產(chǎn)香[36]、產(chǎn)尿素[37]且產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)能力強(qiáng)[38]。糯紅高粱又為釀造白酒的優(yōu)質(zhì)原料,因此推測(cè)從糯紅高粱分離得到的異常威克漢姆酵母菌可能適用于酒曲發(fā)酵和醬曲發(fā)酵等食品發(fā)酵行業(yè),后續(xù)將會(huì)對(duì)FAL15與FAL17兩菌株的功能分析作更深入的研究。
糯紅高粱不同部位內(nèi)生酵母菌生化鑒定結(jié)果見表5。由表5可知,能夠利用甘露醇的有11株,其中FAJ31、FBJ17、FAJ30、FAJ43、FBR14、FAL13利用效果較好;能夠利用甘露醇的有16株,其中HBF22、FBJ17、FAJ41、FAJ30、FBR14、FBF20利用效果較好;能夠利用水楊素的有6株,分別為FAJ11、FAR1、FBF19、FAJ31、FBJ17、FBR14;能夠利用鼠李糖的有12株,其中HBF22、FAJ31、FBJ17、FBR14、FBF20、FAL13利用效果較好;能夠利用葡萄糖的有12株,其中FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用蔗糖的有12株,其中FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用木糖醇的有15株,其中HBF22、FAJ31、FAJ41、FAJ43、FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用松三糖的有12株,其中FAJ31、FBJ17、FBF20利用效果較好;能夠利用蕈糖的有10株,其中FAJ31、FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用麥芽糖的有13株,其中HBF22、FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用阿糖的有13株,其中FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用衛(wèi)矛糖的有12株,其中HBF22、FAJ31、FBJ17、FAJ43利用效果較好;能夠利用棉子糖的有13株,其中FAJ31、FBJ17、FAJ30、FBJ16利用效果較好;能夠利用肌醇的有13株,其中FAJ31、FBJ17利用效果較好;能夠利用N-乙酰葡胺的有13株,其中FAJ31、FAJ43、FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用乳糖的有8株,其中FAJ31、FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用纖維二糖的有13株,其中FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用半乳糖的有13株,其中FAJ31、FBJ17、FBR14利用效果較好;能夠利用山梨醇的有12株,其中FAJ31、FBJ17、FAJ43利用效果較好;能夠利用木梨糖的有16株,其中FAJ31、FAJ41、FAJ30、FBJ17、FBR14、FBF20利用效果較好。由此可見,糯紅高粱中的內(nèi)生酵母在其生長(zhǎng)發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用,相關(guān)內(nèi)容值得進(jìn)一步的研究。
表5 花期糯紅高粱內(nèi)生酵母菌碳源同化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of carbon source assimilation of endophytic yeasts in waxy sorghum at flowering stage
糯紅高粱花期內(nèi)生酵母種類組成豐富且功能多樣,從糯紅高粱根、莖、葉和花組織中分離得到54株可培養(yǎng)的內(nèi)生酵母菌菌株,鑒定為12個(gè)屬17個(gè)種,分別為貝氏酵母(Begerowomyces)、粘質(zhì)皮狀新絲孢酵母(Cutaneotrichosporon)、隱球酵母(Cryptococcus)、鐮刀菌屬(Fusarium)、漢納酵母(Hannaella)、微曲酵母(Microbotryozyma)、莫氏黑粉菌(Moesziomyces)、金黃色蝶形擔(dān)孢酵母(Papiliotrema)、筑波擬酵母(Pseudozyma)、Symmetrospora、絲孢酵母菌(Trichosporon)與異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces),其中優(yōu)勢(shì)屬為隱球酵母(Cryptococcus),優(yōu)勢(shì)種為黃色隱球酵母(Cryptococcus luteolus)。糯紅高粱根、莖、葉、花各組織中的內(nèi)生酵母各項(xiàng)多樣性指數(shù)均有明顯差異,其豐富度指數(shù)表現(xiàn)為莖>根>花>葉;均勻度指數(shù)表現(xiàn)為根>花>葉>莖;優(yōu)勢(shì)度指數(shù)表現(xiàn)為花>根>莖>葉。通過選擇培養(yǎng)基篩選出29株功能酵母菌,其中菌株FAJ28的功能最為豐富,產(chǎn)酯酶的菌株最多,產(chǎn)纖維素酶的內(nèi)生酵母菌最少;另研究結(jié)果還顯示,菌株FBJ15產(chǎn)淀粉酶能力最強(qiáng),菌株FAF8產(chǎn)蛋白酶能力最強(qiáng),菌株FAJ43產(chǎn)脂肪酶能力最強(qiáng);菌株HBF22產(chǎn)酯酶能力最強(qiáng)。糯紅高粱花期內(nèi)生酵母菌生化功能豐富,對(duì)山梨糖、甘露醇等有一定的利用作用。