何慧,葉垚君,楊瑤君,付春
樂(lè)山師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,竹類病蟲防控與資源開(kāi)發(fā)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,樂(lè)山 614000
長(zhǎng)足大竹象(Cyrtotrachelus buqueti),屬鞘翅目象甲科,主要分布于四川、重慶、貴州、廣東以及廣西等省區(qū)。長(zhǎng)足大竹象寄主廣泛,危害水竹(Phyllostachys heteroclada)、青皮竹(Bambusa textilis)、崖州竹(Bambusa textilisvar. gracilis)、慈 竹 (Neosinocalamus affinis) 、 綠 竹(Dendrocalamopsis oldhami) 、 撐 綠 雜 交 竹(Bambusa pervaria-bilis×Dendrocalamopsis daii)等約28 種竹種的竹筍。
在世界范圍內(nèi),每年大約會(huì)有1010~2×1011t 植物有機(jī)物質(zhì)被生產(chǎn),其中將近一半都為纖維素[1],同時(shí)纖維素作為飲食中的一種重要的膳食纖維,是自然界最豐富的可再生資源之一。纖維素作為最難降解成葡萄糖的碳水化合物,在其利用過(guò)程中常常沒(méi)有得到充分的利用,從而造成了大量資源浪費(fèi),因此纖維素如何高效地利用和轉(zhuǎn)化對(duì)于解決當(dāng)前世界能源匱乏、糧食稀缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題具有不可或缺的意義[2]。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展,纖維素酶由于具有降解速度高、降解底物環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛利用,特別是昆蟲內(nèi)源纖維素酶在工業(yè)生產(chǎn)與能源領(lǐng)域等方面得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用[3-4]。
大多數(shù)昆蟲體內(nèi)都有纖維素酶,可以消化他們所攝取的食物中的纖維素,從而提供昆蟲正常生長(zhǎng)所需的物質(zhì)和能量。昆蟲纖維素酶首先在白蟻和蟑螂的腸道中發(fā)現(xiàn)[5-6],然后在細(xì)菌(如大腸桿菌)、放線菌(如馬都拉放線菌)、真菌(如木霉屬的綠色木霉與青霉屬的灰綠青霉)和其他昆蟲(如屬鱗翅目昆蟲的蝗蟲)以及其他動(dòng)物(如白蟻和蝸牛)都檢測(cè)到纖維素酶[7-8]。劉潔麗,王靖[9]中研究發(fā)現(xiàn):除了昆蟲腸道內(nèi)所含有的共生微生物能夠產(chǎn)生纖維素酶以外,某些特殊的昆蟲體內(nèi)還存在內(nèi)源性的纖維素酶。
昆蟲內(nèi)源性纖維素酶研究以鞘翅目昆蟲最為廣泛,李燕利[6]等研究了12 種甲蟲體內(nèi)的纖維素酶活性,研究發(fā)現(xiàn)除了栗山天牛體內(nèi)檢測(cè)不到內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖苷酶活性,其余實(shí)驗(yàn)組甲蟲體內(nèi)均能檢測(cè)到完整的纖維素酶。徐麗霞[10]等研究了黑胸散白蟻、黃翅大白蟻、象白蟻和鋸白蟻4 種白蟻及其腸道不同組織部位的內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖酶(EG)、β-葡萄糖苷酶(BG)和外切-β-1,4 葡聚糖酶(CBH)3 種纖維素酶活性,并研究了白蟻腸道不同組織部位的內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖酶(EG)的分布及多樣性。研究表明,在這研究的4 種白蟻中,EG 酶的比活力均高于BG 酶和CBH 酶。劉新博[11]、段旭[12]等研究了竹蟲體內(nèi)纖維素酶系活性,研究發(fā)現(xiàn)竹蟲體內(nèi)存在完整的纖維素酶系,并對(duì)3 種酶活性大小進(jìn)行了研究為,β-葡萄糖苷酶的底物羧甲基纖維素鈉的降解活性>外切-β-1,4-葡聚糖苷酶的底物微晶纖維素的降解活性>內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖苷酶的底物水楊素的降解活性,CB 的最適pH 為7.0,實(shí)驗(yàn)組還設(shè)置了對(duì)底物的不同反應(yīng)時(shí)間和纖維素酶系的分離,結(jié)果顯示,CB 的最適pH 值為7.0,溫度為70 ℃,反應(yīng)時(shí)間為60 min;CMC 的最適pH 值為9.4,溫度為30 ℃,反應(yīng)時(shí)間為40 min;SA 的最適pH 值為8.2,溫度為50 ℃,反應(yīng)時(shí)間為20 min。該研究為接下來(lái)研究長(zhǎng)足大竹象腸道酶活性質(zhì)提供了研究方法和可靠地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。劉超、萬(wàn)東海[13]等研究了長(zhǎng)足大竹象幼蟲體內(nèi)消化酶活性,并比較出了其體內(nèi)消化酶活性大小為:半纖維素酶 >果膠酶 >纖維素酶,但對(duì)于體內(nèi)纖維素酶系的活性沒(méi)有做進(jìn)一步研究。盡管各類鞘翅目昆蟲體內(nèi)纖維素酶活性研究較多,但尚未有長(zhǎng)足大竹象幼蟲體內(nèi)纖維素酶活性的比較,本研究選取了長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道的纖維素酶來(lái)作為研究對(duì)象,對(duì)不同的溫度及pH 值條件下對(duì)纖維素酶活性影響進(jìn)行比較研究,篩選出纖維素酶酶活的最佳條件,為開(kāi)發(fā)高效纖維素酶系提供了數(shù)據(jù)參考。
長(zhǎng)足大竹象幼蟲均采于四川省樂(lè)山市沐川縣大楠鎮(zhèn)(N28°58′5.06″,E104°0′6.93″)。
水楊素(Salicin)試劑、羧甲基纖維素(CMC)試劑購(gòu)買于Sigma 公司,微晶纖維素(MCC)試劑購(gòu)買于Fluka 公司,其余試劑沒(méi)有特別說(shuō)明均為國(guó)產(chǎn)分析純。
選取體型大小,生長(zhǎng)狀況大體相同的長(zhǎng)足大竹象幼蟲5 只,在冰浴條件下解剖,完整取出其腸道,再根據(jù)鞘翅目昆蟲腸道分段要點(diǎn),用解剖針將腸道分成前、中、后腸,分別放在含有0.02 mol·L-1pH 值7.5 的檸檬酸緩沖液的研缽中充分勻漿,然后在溫度為5 ℃、轉(zhuǎn)速為10 000 r·min-1的離心機(jī)上離心20 min,離心管上層的上清液即為長(zhǎng)足大竹象幼蟲各段腸道的原酶液。分別各取3 mL 的5 只幼蟲蟲體的3 段腸道的原酶液與只含相同濃度的檸檬酸緩沖液放入5 mL 的離心管中進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)。分裝好之后放入到-75 ℃的冰箱中保存。
采用Bradford 法[12]測(cè)定蛋白質(zhì)的含量。配制1 mg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)蛋白溶液。
取11 支試管,分別用移液管加入濃度為1 mg·mL-1的 標(biāo) 準(zhǔn) 蛋 白 溶 液0.00、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.30、0.50、0.70、0.90 和1.00 mL,用蒸餾水定容到1 mL,再分別用移液管移取加入2.4 mL 考馬斯亮藍(lán)試劑,試管用勻微型旋渦混凝器混勻。最后在酶標(biāo)儀595.0 nm 處測(cè)定這11 支試管的OD 值,構(gòu)建出蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線。
用移液槍分別移取腸道前、中、后3 段的供試酶液0.05 mL,以及蒸餾水0.05 mL,再分別用移液管移取加入2.4 mL 考馬斯亮藍(lán)試劑,用勻微型旋渦混凝器混勻之后在酶標(biāo)儀595.0 nm 下測(cè)定3 段腸道的OD 值,每個(gè)樣品設(shè)置3 個(gè)重復(fù)組,根據(jù)上述繪制出的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出稀釋后酶液當(dāng)中的蛋白質(zhì)含量。
首先配置1 mg·mL-1的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。
選取8 支相同刻度試管,編號(hào)為1~8,其中編號(hào)為1 的試管為空白對(duì)照組。依次向這8 支試管當(dāng)中加入濃度為1 mg·mL-1的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液0.00、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12 和0.14 mL,分別用蒸餾水定容至1 mL,再分別加入1.5 mLDNS 顯色劑,搖勻后將其置于沸水浴中加熱5 min。加熱完成后用水冷卻搖勻,在酶標(biāo)儀540.0 nm 處測(cè)定8 支管的OD 值。以這8 支試管當(dāng)中的葡萄糖的濃度來(lái)作為橫坐標(biāo),酶標(biāo)儀所測(cè)量出的OD 值為縱坐標(biāo),從而繪制出葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。
從溫度、pH 值兩個(gè)外界因素出發(fā),探究5 個(gè)不同溫度(分別為30、40、50、60、70℃)和7 個(gè)不同pH 值(分別為3、4、5、6、7、8、9)的35 個(gè)不同的外界因素組合條件下長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道前、中、后段的內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶(Cx 酶)、外切β-1,4-葡聚糖酶(C1 酶)和β-葡萄糖苷酶的活性,并從以下3 個(gè)方面進(jìn)行比較:1)同腸段內(nèi)3 種纖維素酶活性的比較;2)不同腸段內(nèi)同種酶之間活性比較;3)幼蟲不同生長(zhǎng)段的不同酶活性比較。
在測(cè)定Cx 酶的活性時(shí)以濃度為2%的羧甲基纖維素作為底物,在測(cè)定β-葡萄糖苷酶活性時(shí)以濃度為1%的水楊素作為底物,在測(cè)定外切β-1-4-葡聚糖酶活性時(shí)以濃度為1%的微晶纖維素作為底物[13]。底物在進(jìn)行酶促反應(yīng)之前還需要分別用0.2 mol·L-1pH 值為3、4、5、6、7、8 的磷酸二氫鈉-檸檬酸緩沖液和0.2 mol·L-1pH 值=9 的甘氨酸-氫氧化鈉緩沖液來(lái)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)中不同的酸堿度環(huán)境。
分別將0.1 ml 長(zhǎng)足大竹象幼蟲3 段腸道(即前、中和后)的稀釋酶液與上述3 種底物0.3 mL 混合。分別在30、40、50、60、70 ℃水中浸泡2 h后,再向裝有腸段稀釋酶液的試管當(dāng)中加入DNS 顯色劑2 mL。在沸水中顯色5 min 后,將試管置于流動(dòng)水中冷卻,最后在酶標(biāo)儀的540 nm 處測(cè)定OD 值,每支試管的酶液測(cè)定設(shè)置3 個(gè)重復(fù)組,計(jì)算時(shí)取平均值,同時(shí)理應(yīng)設(shè)置空白對(duì)照。以試驗(yàn)條件下酶液蛋白含量(mg)在單位時(shí)間(min)內(nèi)酶促反應(yīng)產(chǎn)生的還原糖(葡萄糖)量(μmol)計(jì)算酶活性,即μmol·min-1·mg-1。
采用DPSS22.0 軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較[14]。
試驗(yàn)表明,溫度和pH 值對(duì)3 種酶的活性均有顯著影響(見(jiàn)圖1-圖3),β-葡萄糖苷酶的最佳溫度范圍為30~60 ℃,最佳pH 值為4~6,最高酶活性為0.0255 μmol·min-1·mg-1( pH 值=6,40 ℃) ,當(dāng)pH 值較低(pH 值<4)、溫度高于40 ℃時(shí),β-葡萄糖苷酶活性呈上升趨勢(shì);而當(dāng)pH 值較低(pH 值>7)、酶活性隨溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)直至無(wú)活性。在前腸中,當(dāng)β-葡萄糖苷酶在60 ℃時(shí),活性是隨著pH 值的增加而減小直至無(wú)活性狀態(tài),即堿性狀態(tài)時(shí),酶活性更易受到影響;Cx 酶的最適溫度范圍在30~60 ℃,最適pH 值在5~8 之間,最高酶活性為-0.0342 μmol·min-1·mg-1,在較酸或者較堿條件下,該酶活性較低,如在pH 值為3 溫度為30 ℃時(shí),該酶無(wú)活性;C1 酶的最適溫度為30~60 ℃,最適pH 值為5~8,最高酶活性為0.0342 μmol·min-1·mg-1,在超出最適溫度和最適pH 值后,酶活性均較低或失落(見(jiàn)圖1)。
圖1 長(zhǎng)足大竹象幼蟲前腸纖維素酶活性Fig.1 Cellulase activity in the foregut of Cyrtotrachelus bugueti larvae
在長(zhǎng)足大竹象幼蟲中腸中,β-葡萄糖苷酶、Cx酶和C1 酶都受溫度和pH 值的較大影響,3 種酶都只能在最適溫度和最適pH 值條件下表現(xiàn)出相對(duì)較高的活性,其他不適條件活性較低或無(wú)活性(見(jiàn)圖3)。在試驗(yàn)條件下,β-葡萄糖苷酶的最適溫度為30~70 ℃,最適pH 值為4~9,β-葡萄糖苷酶最高酶活0.0262 μmol·min-1·mg-1,在溫度較高或較低,酸堿度較酸或較堿條件下活性均低甚至無(wú)活性;Cx 酶最適溫度為30~60 ℃,最適pH 值為5~8,Cx 酶最高酶活為0.0258 μmol·min-1·mg-1,在超出最適溫度和最適pH值外活性較低;C1 酶的最適溫度為30~70 ℃,最適pH值為4~8,C1 酶最高酶活為0.0343 μmol·min-1·mg-1,在溫度較高或較低,酸堿度較酸或較堿條件下活性均較低。酶間比較發(fā)現(xiàn),在相同條件下,C1 酶活性最高,且它的溫度范圍和pH 值范圍較大。
圖2 長(zhǎng)足大竹象幼蟲中腸纖維素酶活性Fig.2 Cellulase activity in the midgut of Cyrtotrachelus bugueti Larvae
圖3 長(zhǎng)足大竹象幼蟲后腸纖維素酶活性Fig.3 Cellulase activity in the hindgut of Cyrtotrachelus bugueti Larvae
在長(zhǎng)足大竹象后腸中,3 種纖維素酶酶活性均受溫度和pH 值的影響較大,3 種酶都只能在最適溫度和最適pH 值條件下表現(xiàn)出相對(duì)較高的活性,其他不適條件活性較低或無(wú)活性。在試驗(yàn)條件下,β-葡萄糖苷酶的最適溫度為30~70 ℃,最適pH 值為4~8,β-葡 萄 糖 苷 酶 的 最 高 活 性 為0.0274 μmol·min-1·mg-1,在溫度較高或較低,酸堿度較酸或較堿條件下活性均低甚至無(wú)活性;Cx 酶的最適溫度為30-70 ℃,最 適pH 值 為3~8,Cx 的 最 高 酶 活 性 表 現(xiàn) 為0.0279 μmol·min-1·mg-1,在超出最適溫度和最適pH 值外活性較低;C1 酶的最適溫度為30~70 ℃,最適pH 值為3~9,C1 酶最高酶活性為0.0365 μmol·min-1·mg-1,在溫度較高或較低,酸堿度較酸或較堿條件下活性均較低(見(jiàn)圖3)。
β-葡萄糖苷酶在前腸中的最高酶活性為0.0255 μmol·min-1·mg-1(pH 值=6,40 ℃),pH 值值3、7、8、9 時(shí),該酶均無(wú)活性;β-葡萄糖苷酶在中腸中的最高酶活性為0.0249 μmol·min-1·mg-1(pH值=6,40 ℃),pH 值在3、8、9 時(shí),該酶存在無(wú)活性狀態(tài);β-葡萄糖苷酶在后腸中的最高酶活性為0.0273 μmol·min-1·mg-1(pH 值=8,60 ℃)。β-葡萄糖苷酶活性在腸道各段內(nèi)的大小依次是后腸>前腸>中腸(圖4)。
Cx 酶在長(zhǎng)足大竹象成蟲的前腸中的最高酶活性為 0.0249 mol·min-1·mg-1( pH 值=5,60 ℃) ,pH 值3、8、9 時(shí),Cx 酶活性較低,pH 值7 開(kāi)始,酶活性逐漸降低且降低趨勢(shì)顯著,推測(cè)這是Cx 酶適生pH 值臨界點(diǎn);Cx 酶在長(zhǎng)足大竹象成蟲的中腸當(dāng)中 的 最 適 酶 活 性 為0.0258 μmol·min-1·mg-1(pH值=3,60 ℃)。在中腸中,當(dāng)pH 值在3、9 時(shí),在30~70 ℃的溫度范圍內(nèi)都存在Cx 酶的無(wú)活性狀態(tài);Cx 酶在長(zhǎng)足大竹象成蟲的后腸當(dāng)中的最適酶活性為0.027 μmol·min-1·mg-1(pH 值=5,70 ℃)。在后腸中,當(dāng)pH 值為3、8、9 時(shí),在30~70 ℃的溫度范圍內(nèi)β-葡萄糖苷酶無(wú)活性。Cx 酶在長(zhǎng)足大竹象成蟲腸道各段內(nèi)的酶活性大小依次是中腸>前腸>后腸(見(jiàn)圖5)。
圖4 長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道3 段中β-葡萄糖苷酶活性比較Fig.4 Comparison of β-enzyme activity in three intestinal segments of Cyrtotrachelus bugueti larvae
圖5 長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道3 段中CX 酶活性比較Fig.5 Comparison of CX enzyme activity in three intestinal segments of Cyrtotrachelus bugueti larvae
前腸C1 酶最高酶活性為0.0342 mol·min-1·mg-1( pH 值=7,60 ℃) ,pH 值3、 4、 9,溫 度30-70 ℃均無(wú)活性;中腸C1 酶最高酶活性為0.034 μmol·min-1·mg-1(pH 值=7,60 ℃)。pH 值3、4、8、9,溫度30-70 ℃均無(wú)活性;后腸C1 酶最 高 酶 活 性 為0.0365 μmol·min-1·mg-1(pH 值=7,60 ℃),pH 值3、4、7、8、9,溫度30-70 ℃均無(wú)活性。C1 酶在長(zhǎng)足大竹象成蟲腸道各段內(nèi)的酶活性大小依次是后腸>中腸>前腸(見(jiàn)圖6)。
圖6 長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道3 段中C1 酶活性比較Fig.6 Comparison of C1 enzyme activity in three intestinal segments of Cyrtotrachelus bugueti larvae
劉新博[11],段旭[12],劉超[13]等人都研究了竹蟲體內(nèi)纖維素酶系活性,均發(fā)現(xiàn)竹蟲體內(nèi)存在完整的纖維素酶系,并比較出3 種纖維素酶的活性大小,這都為接下來(lái)研究長(zhǎng)足大竹象腸道酶活性質(zhì)提供了研究方法和可靠地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)定纖維素酶活性的方法有很多種,但最主要且運(yùn)用最廣泛的是DNS 顯色法,同時(shí)李燕利,劉新博等人也都運(yùn)用該技術(shù)作為探究纖維素酶的主要手段,這直接作為本研究大足象幼蟲腸道纖維素酶活性的技術(shù)選擇。本研究利用該技術(shù)研究了長(zhǎng)足大竹象幼蟲不同腸道段的纖維素酶活性,結(jié)果表明,長(zhǎng)足大竹象腸道(分前腸、中腸和后腸)中均有完整的纖維素酶系,它們的酶活性大小為后段>中段>前段,但各腸道段中的纖維素酶活性基本相同,差異不顯著。通過(guò)設(shè)置pH 值3,4,5,6,7,8,9 等7 個(gè)梯度和溫度為30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃,70 ℃等5 個(gè)溫度梯度對(duì)3 種纖維素酶在長(zhǎng)足大竹象幼蟲不同段腸道的酶活性的探究得出,長(zhǎng)足大竹象幼蟲不同段中3 種纖維素酶活性在最適條件下酶的活性大小變化不大,差異不顯著;3 種纖維素酶活性主要受溫度和pH 值的影響,在最適溫度為40~70 ℃具有相對(duì)較高的活性,在最適pH 值為4~7 也具有較高活性,在高溫和低溫以及過(guò)酸和過(guò)堿條件下,檢測(cè)到纖維素酶較低,β-葡萄糖苷酶在pH 值>7 下,酶活基本不能檢測(cè)到。
對(duì)長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道不同組織部位的纖維素酶活測(cè)定結(jié)果表明,不同組織部位和不同纖維素酶比活力均有可能有較大差異,這種同種組織不同酶比活力的差異可能與腸道內(nèi)酶分解纖維素所起的作用不同有關(guān)[15],不同組織之間同種酶比活力的差異可能與竹象蟲組織的生理狀態(tài)不同有關(guān),為進(jìn)一步研究竹象蟲生活習(xí)性奠定基礎(chǔ)。竹象蟲對(duì)于纖維素的需求主要是在幼蟲階段,幼蟲蛀食竹筍、嫩筍,導(dǎo)致竹筍枯死,嫩筍無(wú)法生長(zhǎng),利用這一差異,可針對(duì)幼蟲纖維素酶分布特點(diǎn)以及酶比活力的不同,研究開(kāi)發(fā)竹象蟲幼蟲防治藥物,減少幼蟲對(duì)竹筍的傷害,為竹林防害提供相關(guān)依據(jù)[16-17]。竹象蟲腸道具有獨(dú)特理化環(huán)境,是消化纖維素的天然工廠,其腸道是共生微生物的生長(zhǎng)繁殖提的理想場(chǎng)所[18],本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)足大竹象幼蟲腸道不同組織部位纖維素酶活性的初步研究,揭示了長(zhǎng)足大竹象幼蟲體內(nèi)3 種纖維素酶的活性及分布等特征,為進(jìn)一步闡明不同長(zhǎng)足大竹象降解纖維素的機(jī)制和研究竹象蟲對(duì)富含纖維素植物等生物質(zhì)能的合理利用和開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ),為開(kāi)發(fā)利用長(zhǎng)足大竹象內(nèi)源的纖維素酶作為新型的生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)奠定了一定的科學(xué)基礎(chǔ)[19-20]。
長(zhǎng)足大竹象對(duì)纖維素的降解是一個(gè)復(fù)雜的需要多種酶參與的過(guò)程,同時(shí)也不排除長(zhǎng)足大竹象腸道內(nèi)是否有內(nèi)源纖維素酶的作用。對(duì)于竹象蟲腸道內(nèi)纖維素酶活性的最適反應(yīng)時(shí)間、pH 值、溫度還未精確,同時(shí)本文采用的測(cè)定方法是制備初酶液的,未將纖維素酶提取出來(lái),對(duì)于如何高效提取腸道內(nèi)纖維素酶的方法還有待研究。