李 鵬, 熊 雪, 張貴合, 陶文廣, 向 準(zhǔn), 王 晶, 劉忠玄, 黃 靜
(1.貴州省生物研究所, 貴陽 550009; 2.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 貴陽 551400)
冬小包腳菇(VolvariellabrumalisHe sp. nav.)是一種貴州特有野生可食用大型真菌,最早由貴州省生物研究所何紹昌先生于1987年正式命名并發(fā)表[1],俗稱谷樁菌、低溫草菇。該菌隸屬于擔(dān)子菌門(Basidiomycota),蘑菇綱(Agaricomycetes),蘑菇目(Agaricales),光柄菇科(Pluteaceae),包腳菇屬(Volvariella)[1-2]。冬小包腳菇營養(yǎng)成分豐富,口感上佳,富含多種氨基酸及無機(jī)元素[3],其口感及外觀和同屬著名品種草菇(Volariellavolvacea)較為相似,但該菇子實(shí)體形成溫度為4~14 ℃,與喜高溫高濕環(huán)境的草菇有明顯區(qū)別。草菇是包腳菇屬最著名的食用菌,廣受人們喜愛[4],其味道鮮美,富含粗纖維、氨基酸、維生素和特異性蛋白等[5-6],素有“中國蘑菇”之稱,在食用菌市場上占有較為優(yōu)勢的地位。但草菇喜高溫且子實(shí)體不耐低溫儲(chǔ)存的特性嚴(yán)重限制了其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7-11]。而冬小包腳菇的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了該屬可食用種類均為中高溫型的缺陷,對其種群理論、生物遺傳學(xué)理論研究等方面具有重要的科學(xué)意義,且對彌補(bǔ)草菇冬季市場具有重要意義。但分離和培養(yǎng)難度大等原因,雖有許多學(xué)者對其開展研究,但目前冬小包腳菇除營養(yǎng)成分[3]、野外生境[12-13]、形態(tài)特征[14]等方面外,在其他基礎(chǔ)研究、品種選育等方面仍處于空白狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)按照基礎(chǔ)生物學(xué)的方法對分離得到的冬小包腳菇菌株開展?fàn)I養(yǎng)條件研究,旨在摸索菌絲生長規(guī)律,為冬小包腳菇優(yōu)質(zhì)母種的產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供理論依據(jù),助推貴州特色冬小包腳菇產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展,填補(bǔ)我國草菇的冬季市場。
圖1 野生冬小包腳菇子實(shí)體Fig.1 Wild Volvariella brumalis fruiting bodies
2019年12月于貴州省龍里縣[1]采集而得的冬小包腳菇野生子實(shí)體,經(jīng)組織分離培養(yǎng)后得到供試菌株,現(xiàn)保存于貴州省生物研究所。
活化培養(yǎng)基:馬鈴薯(去皮)200 g,稻草40 g(剪成2~3 cm段,沸水煮30 min),葡萄糖20 g,磷酸二氫鉀0.5 g,磷酸氫二鉀0.5 g,MgSO4·7 H2O 0.5 g,蛋白胨2 g,維生素B110 mg,瓊脂粉20 g,去離子水1 000 mL,pH自然。
基礎(chǔ)培養(yǎng)基:葡萄糖20 g,蛋白胨2 g,磷酸二氫鉀0.5 g,磷酸氫二鉀0.5 g,MgSO4·7 H2O 0.5 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 000 mL,pH自然。
1.2.1菌種活化
制備冬小包腳菇活化培養(yǎng)基平板20個(gè),無菌環(huán)境下將試管母種接種到冬小包腳菇加富PDA培養(yǎng)基上(接種至平板的中心位置),15 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)20 d(待菌落生長至平板直徑的1/2~2/3之間)。
1.2.2ITS序列分析
采取購買的生工生物工程(上海)股份有限公司Ezup柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒提取分離純化真菌基因組DNA,提取之后的DNA選用真菌通用引物(ITS 1:TCCGTAGGTGAACCTGCGG;ITS 4:TCCTCCGCTTATTGATATGC)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。采用25 μL的PCR反應(yīng)體系:Template(基因組20~50 ng/μL)0.5 μL;10×Buffer(和Mg2+);dNTP(各2.5 mmol/L)1 μL;Taq0.2 μL;F(10 μmol/L)0.5 μL;R(10 μmol/L)0.5 μL;加雙蒸水至25 μL。反應(yīng)程序?yàn)?4 ℃預(yù)變性4 min,35個(gè)循環(huán)(94 ℃變性15 s、58 ℃退火15 s、72 ℃延伸1 min),72 ℃延伸5 min,4 ℃終止反應(yīng)保存。擴(kuò)增得到的PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖電泳檢測擴(kuò)增結(jié)果后,送生工生物工程(上海)股份有限公司測序,測序并完成序列拼接后登陸GenBank上傳所測序列,得到GenBank接收號,并通過BLAST對測序結(jié)果進(jìn)行比對分析,下載最相近菌株的ITS rDNA序列,并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.2.3溫度篩選試驗(yàn)
將菌絲長至平板2/3的活化平板,用5 mm的打孔器將菌落打成圓片,然后接種于活化培養(yǎng)基上,將接種好的平板分別放置在10 ℃、15 ℃、18 ℃、20 ℃、22 ℃、25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每處理重復(fù)5次,觀察菌絲生長情況,同時(shí)記錄菌絲萌發(fā)時(shí)間。菌絲生長速度測定采用“十”字交叉法,從菌絲萌發(fā)開始,每3天測量一次。菌絲鋪滿平板時(shí),觀察記錄菌落的菌絲形態(tài)、色澤、菌落形狀、菌絲長勢和邊緣特征等,用“+”“-”表菌絲的長勢,“+”越多表菌絲生長得越好、越健壯、均勻,“-”表菌絲不生長。
1.2.4酸堿度篩選試驗(yàn)
以1 mol/L HCl和1 mol/L的NaOH,按不同比例配制基礎(chǔ)培養(yǎng)基,分別設(shè)pH值為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12共10個(gè)處理。將菌絲長至平板2/3的活化平板,用5 mm的打孔器將菌落打成圓片,然后接種于不同pH值平板的中心位置,每處理重復(fù)5次,置15 ℃恒溫箱中培養(yǎng),觀察菌絲生長情況。選擇菌落最大的條件作為最適pH值。
1.2.5碳源優(yōu)化試驗(yàn)
以基礎(chǔ)培養(yǎng)基為對照(ck),分別以等量蔗糖、麥芽糖、乳糖、果糖、甘露醇、可溶性淀粉、糊精及麥芽提取物代替基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的葡萄糖,作為不同碳源培養(yǎng)基,將菌絲長至平板2/3的活化平板,用5 mm的打孔器將菌落打成圓片,然后接種于不同碳源培養(yǎng)基上,每處理重復(fù)5次,置15 ℃恒溫箱中培養(yǎng),觀察菌絲生長情況。
1.2.6氮源優(yōu)化試驗(yàn)
以基礎(chǔ)培養(yǎng)基為對照(ck),分別以等量的硝酸鉀、硫酸銨、尿素、牛肉膏、豆粕粉、硝酸銨、酵母浸粉、酵母膏和麥麩分別代替基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的氮源蛋白胨,后續(xù)操作同1.2.5。
1.2.7不同碳氮比試驗(yàn)
在固定溫度15 ℃和pH自然的培養(yǎng)基中調(diào)整碳氮比進(jìn)行試驗(yàn),基礎(chǔ)培養(yǎng)基中碳源濃度為2%,添加不同重量蛋白胨(蛋白胨含碳量忽略不計(jì)),配成碳氮比為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1、80∶1、90∶1和100∶1的培養(yǎng)基,觀察不同碳氮比對冬小包腳菇菌絲生長的影響。每個(gè)處理5次重復(fù),置于15 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
1.2.8最佳碳氮源濃度組合
選擇最優(yōu)的培養(yǎng)溫度和pH值,選取的2個(gè)適宜碳源、氮源作為試驗(yàn)的四因素,采用 L9(34) 正交表進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn),以不含碳源、氮源的基礎(chǔ)培養(yǎng)基為基礎(chǔ),組合成供試培養(yǎng)基(表1)。每組5個(gè)重復(fù),后續(xù)操作同1.2.5。
表1 正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Table of factor level by orthogonal test
1.2.9最佳碳氮源濃度組合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
經(jīng)碳氮源正交試驗(yàn)得到該水平最優(yōu)組合培養(yǎng)基,若組合不在實(shí)驗(yàn)處理中,則進(jìn)行驗(yàn)證培養(yǎng),操作同1.2.5。
經(jīng)PCR擴(kuò)增和序列測定,結(jié)果顯,供試冬小包腳菇菌株rDNA ITS區(qū)段長度為640 bp,上傳GenBank得到登錄號為OM 108495,經(jīng)Blast搜索,擊中結(jié)果均為Volvopluteusgloiocephalus和Volvariellagloiocephala,下載相似序列20條,并結(jié)合Volvopluteus、Volvariella及光柄菇科下光柄菇屬(Pluteus)常見種序列,共同構(gòu)建冬小包腳菇系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2)。由圖2可知,該系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系若分為兩大類群,則Volvopluteus、Volvariella在同一類群,Pluteus單獨(dú)為一個(gè)類群。若分為三大類群,則Volvopluteus、Volvariella和Pluteus各為一個(gè)類群,且冬小包腳菇屬于Volvopluteus類群,同Volvopluteusgloiocephalu親緣性近;同著名草菇栽培種(Volvariellavolvacea)親緣性較遠(yuǎn),存在本源差異。
圖2 基于ITS序列構(gòu)建的冬小包腳菇系統(tǒng)發(fā)育樹 Fig.2 Phylogenetic tree of Volvariella brumalis constructed based on ITS sequence.
如表2所,在所選溫度范圍內(nèi),冬小包腳菇菌絲萌發(fā)、生長速度和菌落長勢均隨溫度變化差異明顯。在低溫(5 ℃)、高溫(30 ℃)條件下冬小包腳菇菌絲均不能正常萌發(fā)生長,10 ℃培養(yǎng)下菌絲萌發(fā)需耗時(shí)16 d,其余溫度條件下僅需2 d,說明溫度過高或過低均會(huì)對冬小包腳菇菌絲萌發(fā)產(chǎn)生明顯抑制作用。在10~15 ℃條件下,冬小包腳菇菌落均呈絨毛狀白色圓形菌落,有氣生菌絲,發(fā)達(dá)程度不一,隨溫度升高菌落長勢整體呈現(xiàn)“弱—旺—弱”的趨勢,其中15 ℃條件下培養(yǎng)菌落長勢最好,18 ℃和20 ℃培養(yǎng)下次之。菌絲日均生長速度也隨溫度升高先增后減,18 ℃培養(yǎng)條件下菌絲日均生長速度最快,達(dá)1.03 mm/d,15 ℃和20 ℃培養(yǎng)條件下次之,分別為0.95 mm/d和0.90 mm/d。綜上說明冬小包腳菇菌絲生長適宜溫度條件范圍在15~20 ℃之間,最佳適宜溫度為15 ℃。
表2 不同溫度對冬小包腳菇菌絲生長的影響Table 2 Effects of different temperatures on Volvariella brumalis mycelium
如表3所,冬小包腳菇菌絲萌發(fā)和生長受培養(yǎng)基酸堿度影響明顯,該菌在過酸和過堿條件下均不能正常萌發(fā)和生長。pH<5或pH>10時(shí),冬小包腳菇菌絲均不能萌發(fā)生長,其菌絲萌發(fā)適宜生長酸堿度范圍在6~9之間,且菌絲萌發(fā)后隨著酸堿度的增加,菌絲日均生長速度呈先增后減的拋物線型變化。在pH=8條件下菌絲生長最快,日均生長速度達(dá)3.75 mm/d,其次為pH=9和pH=7條件,日均生長速度分別為2.74 mm/d和2.26 mm/d,其菌落長勢表現(xiàn)同生長速度趨勢一致。綜上可知,冬小包腳菇菌絲對酸堿度變化反應(yīng)敏感,過酸過堿均會(huì)抑制其萌發(fā)和生長,其菌絲生長喜弱堿性環(huán)境,適宜酸堿度范圍為7~9,其中8為最佳。
表3 不同酸堿度對冬小包腳菇菌絲生長的影響Table 3 Effects of different pH conditions on Volvariella brumalis mycelium
如表4所,在9種供試碳源培養(yǎng)基條件下,冬小包腳菇菌絲萌發(fā)時(shí)間均為2 d,且均呈現(xiàn)出絨毛狀灰白色圓形菌落,有氣生菌絲著生,但表現(xiàn)差異較大,菌落長勢差異明顯。其中在蔗糖培養(yǎng)基中長勢最佳,乳糖、糊精和麥芽提取物培養(yǎng)下菌落長勢最差。各種培養(yǎng)基條件下的冬小包腳菇菌絲日均生長速度在p<0.05水平上有差異。其中碳源為甘露醇培養(yǎng)條件下菌絲顯著快于其他培養(yǎng)基,日均生長速度為2.59 mm/d。其次為蔗糖和葡萄糖,日均生長速度分別為2.27 mm/d和2.06 mm/d。結(jié)合菌落長勢可知,冬小包腳菇最適碳源為蔗糖,其次為甘露醇和葡萄糖。
表4 不同碳源培養(yǎng)基對冬小包腳菇菌絲生長的影響Table 4 Effects of different carbon source media on the growth of Volvariella brumalis mycelium
由表5可知,冬小包腳菇在10種供試氮源培養(yǎng)基上均能萌發(fā)生長,且表現(xiàn)為著生有一定量氣生菌絲的絨毛狀灰白色圓形菌落,但各處理下菌落長勢和日均生長速度差異明顯。其中氮源為尿素、牛肉膏和麥麩培養(yǎng)下長勢較佳,酵母膏和酵母浸粉次之,氮源為硫酸銨和硝酸銨培養(yǎng)時(shí),菌絲長勢最差,說明有機(jī)氮較無機(jī)氮更有利于冬小包腳菇菌絲生長。冬小包腳菇在麥麩培養(yǎng)基上菌絲生長速度顯著快于其他培養(yǎng)基(p<0.05),日均生長速度達(dá)2.65 mm/d。其次為牛肉膏、硝酸銨和尿素,其日均生長速度分別為2.24 mm/d、2.20 mm/d和2.01 mm/d。因此,結(jié)合菌落長勢可知,冬小包腳菇菌絲生長最佳氮源為麥麩,其次為牛肉膏和尿素。
表5 不同氮源培養(yǎng)基對冬小包腳菇菌絲生長的影響Table 5 Effects of different nitrogen source media on the growth of Volvariella brumalis mycelium
如表6可知,在不同碳氮比實(shí)驗(yàn)中,冬小包腳菇菌絲萌發(fā)情況不受碳氮比的影響,且菌落長勢差距不大,均表現(xiàn)為絨毛狀白色圓形菌落,并著生有一定量氣生菌絲,但在碳氮比為20∶1、30∶1和40∶1的條件下時(shí),菌落氣生菌絲明顯較其他碳氮比多且發(fā)達(dá),整體長勢較佳。結(jié)合圖3可知,冬小包腳菇菌絲日均生長速度整體差距不大,其中碳氮比為70∶1時(shí),生長速度最快,達(dá)1.84 mm/d,碳氮比為50∶1時(shí),生長速度最慢,為1.35 mm/d。綜合菌落長勢可知,冬小包腳菇日均生長速度適宜碳氮比在20∶1~40∶1之間,最佳碳氮比為30∶1。
圖3 不同碳氮比培養(yǎng)基對冬小包腳菇菌絲生長速度的影響Fig.3 The effect of different C/N ratio media on the growth of Volvariella brumalis mycelium
表6 不同碳氮比培養(yǎng)基對冬小包腳菇菌絲生長的影響Table 6 Effects of different C/N ratio media on the growth of Volvariella brumalis mycelium
以2.4、2.5中所得冬小包腳菇適宜碳源、氮源為依據(jù),選擇適宜碳源蔗糖、葡萄糖和適宜氮源麥麩、牛肉膏建立 L9(34) 正交表進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)(表7),各處理培養(yǎng)下冬小包腳菇菌株萌發(fā)時(shí)間無差異,且均為絨毛狀整齊灰白色圓形菌落,并著生大量氣生菌絲,菌絲健壯、發(fā)達(dá)且濃密度高。其中V 2處理下冬小包腳菇菌絲顯著高于其他處理,日均生長速度為4.28 mm/d,其次為V 1和V 3,日均生長速度分別為3.52 mm/d和2.96 mm/d。綜上可知,在所有處理中,冬小包腳菇菌絲生長最佳碳氮源組合為V 2(A1B2C2D2),日均生長速度達(dá)4.28 mm/d。
表7 不同濃度碳氮源對冬小包腳菇菌絲體生長的影響Table 7 Effects of different concentrations of carbon and nitrogen sources on the growth of Volvariella brumalis mycelium
由表8可知,4個(gè)因素R值從大到小為RA、RC、RD、RB,表明各因素對冬小包腳菇菌絲生長速度的影響為A(蔗糖)>C(麥麩)>D(牛肉膏)>B(葡萄糖)。此外,在4種影響因素中,因素A對菌絲生長速度有極顯著影響,因素C對菌絲生長速度影響顯著(表9),因素B、D影響不顯著,但因素D影響高于因素B(pD
表8 碳氮源對冬小包腳菇菌絲體生長的正交分析Table 8 Orthogonal analysis of carbon and nitrogen sources on the growth of Volvariella brumalis mycelium
說明碳源蔗糖和氮源麥麩是冬小包腳菇菌絲培養(yǎng)階段的關(guān)鍵因素,其中主要因素為碳源蔗糖,次要因素為氮源麥麩。
按照各因素的優(yōu)水平,得到A1B1C2D2水平組合為本試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合,結(jié)合表1可知,該組合為蔗糖10.0 g,葡萄糖5.0 g,麥麩2.0 g,牛肉膏2.0 g。但該組合并不在試驗(yàn)處理中,通過后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證得到冬小包腳菇日均生長速度為4.35 mm/d,比上述正交試驗(yàn)處理所得最佳組合V 2(A1B2C2D2)高0.07 mm/d。
表9 冬小包腳菇正交試驗(yàn)方差分析Table 9 Variance analysis of Volvariella brumalis by orthogonal test
冬小包腳菇是一種獨(dú)具特色的珍稀食用菌,在外形、口感上同著名栽培種草菇較為相似,但草菇出菇嗜高溫高濕,子實(shí)體貯存濕度一般不低于15 ℃,且儲(chǔ)存時(shí)間非常短,而冬小包腳菇偏好低溫出菇,子實(shí)體可耐低溫保存,這樣的先天條件決定了冬小包腳菇重要的研究及市場價(jià)值。本研究對分離得到的冬小包腳菇菌絲體進(jìn)行了分子鑒定,初步研究了其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,發(fā)現(xiàn)冬小包腳菇屬于Volvopluteus類群,且同Volvopluteusgloiocephalus、Volvariellagloiocephala親緣性最近;同著名草菇栽培種(Volvariellavolvacea)親緣性較遠(yuǎn),存在本源差異。這同何紹昌等[1]將冬小包腳菇命名在Volvariella類群下并不沖突,因?yàn)閂olvopluteus是2011年由Justo等從傳統(tǒng)Volvariella類群中分出來的新類群,而冬小包腳菇早在1987年已被命名。而同一分支下Volvopluteusgloiocephalus、Volvariellagloiocephala也被Justo等[15]歸屬在Volvopluteus類群,并統(tǒng)一名稱為Volvopluteusgloiocephalus[17]。冬小包腳菇同Volvopluteusgloiocephalus雖具有較近的親緣關(guān)系,但具體的種間關(guān)系需要進(jìn)一步的研究。
冬小包腳菇菌絲體基礎(chǔ)生物學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn),冬小包腳菇菌絲生長適宜溫度范圍在15~20 ℃之間,最佳生長溫度為15 ℃,且當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃或高于25 ℃時(shí)無法萌發(fā),但菌絲體不會(huì)死亡。這同草菇適宜35 ℃環(huán)境,且在低于20 ℃或高于40 ℃環(huán)境下不生長或生長不良的習(xí)性具有較大差異[18]。此外冬小包腳菇菌絲體對環(huán)境酸堿度反應(yīng)敏感,且偏好弱堿性環(huán)境,在pH<5和pH>10的環(huán)境下,菌絲體均無法正常萌發(fā)生長,適宜酸堿度范圍在7~9之間,最適為8。這同草菇對酸堿度的反應(yīng)表現(xiàn)較為一致,但草菇對酸堿度的適應(yīng)能力更強(qiáng)于冬小包腳菇。歷年來對草菇的持續(xù)研究中,均發(fā)現(xiàn)草菇對酸堿度的適宜范圍較廣,在pH=4~11范圍內(nèi)均能生長,更偏愛堿性環(huán)境[18-21]。而在適宜碳氮源選擇上,冬小包腳菇最佳碳源為蔗糖,其次為甘露醇和葡萄糖。最佳氮源為麥麩,其次為牛肉膏和尿素,且對冬小包腳菇進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),影響冬小包腳菇菌絲生長占主要因素的是碳源蔗糖。在荊蓉和郭成金[19]對銀絲草菇培養(yǎng)條件研究中也發(fā)現(xiàn),銀絲草菇對碳源蔗糖和葡萄糖有較好的吸收能力,而對氮源牛肉膏和麥麩的吸收力度則沒有酵母粉和蛋白胨高。伍國明和李梅[20]對草菇不同菌株研究中發(fā)現(xiàn),草菇對碳源蔗糖的吸收更強(qiáng),且氮源表現(xiàn)不一,但整體而言同銀絲草菇一樣,草菇對酵母粉、蛋白胨等復(fù)雜氮源均能較好地吸收[20-22]。這說明盡管冬小包腳菇和草菇菌絲適宜生長溫度范圍差異較大,但相近的酸堿度和碳源選擇,也是冬小包腳菇野生資源開發(fā)的一個(gè)突破口,這對冬小包腳菇栽培基質(zhì)配方的摸索具有指導(dǎo)意義。試驗(yàn)最終得到冬小包腳菇菌絲生長最優(yōu)培養(yǎng)條件為蔗糖10.0 g,葡萄糖5.0 g,麥麩2.0 g,牛肉膏2.0 g,KH2PO41 g,MgSO4·7 H2O 0.5 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 000 mL,酸堿度調(diào)至8,接種后置于15 ℃條件下培養(yǎng)。但盡管在最適宜的條件下,冬小包腳菇在平板上的平均生長速度僅保持在4.35 mm/d,相對草菇培養(yǎng)生長速度(5.10 cm/d)慢了10倍以上[19]。母種生長緩慢是冬小包腳菇培養(yǎng)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的難關(guān),這將是下一步研究的重點(diǎn)之一。