譚愛華,陳新,劉發(fā)志,李方橋*
1(湖北三峽職業(yè)技術學院,湖北 宜昌,443000)2(華中農(nóng)業(yè)大學應用真菌研究所,湖北 武漢,430070) 3(湖北洪山實驗室,湖北 武漢,430070)
紫陀螺菌[Gomphuspurpuraceu(Iwade) Yokoyamas]是一種夏秋季生長在闊葉混交林地的菌根食用菌,隸屬于擔子菌亞門(Basidiomycotina)、非褶菌目(Aphyllophorales)、陀螺菌科(Gomphaceae)、陀螺菌屬(Gomphus),零星分布于湖北、甘肅、云南、貴州、四川等省的部分地區(qū)[1-3]。由于紫陀螺菌屬于外生菌根食用菌,它們需要與松科或殼斗科等木本植物共生,需共生宿主植物長大到一定年限后才能穩(wěn)定地出菇,一般需用時3~5年,具有較高的經(jīng)濟價值和生態(tài)保護價值,目前尚未實現(xiàn)人工栽培[2-4],只能采集野生資源,且產(chǎn)量極易受降雨量等環(huán)境因素的影響。紫陀螺菌味道鮮美,營養(yǎng)價值高,肉質厚實,易保鮮,易加工,且富含蛋白質、氨基酸、維生素、糖類以及微量元素等多種營養(yǎng)成分,而脂肪含量較低,也是一種價格較高的珍稀食用菌[1,5-11]。紫陀螺菌中含有倍半萜烯、多糖等活性物質,這類活性物質可能具有護肝臟、抗氧化、降血壓、降血脂等藥用功能[6,12-14]。此外,倍半萜烯類物質已被證實能抑制癌癥中的DNA合成,可能是制備抗氧化劑和抗癌劑的理想來源,在食品和醫(yī)藥領域具有較大的開發(fā)價值[6,13-15]。
目前國內外對紫陀螺菌的研究和報道甚少,自筆者團隊1999年首次在我國湖北宜昌發(fā)現(xiàn),并報道該菌的存在[3],后續(xù)研究工作也多集中于其生境描述[2,5]、營養(yǎng)成分[1,5-11]、菌種的分離純化[16-18]、培養(yǎng)基的篩選[19-20]和藥理活性[5-6,13-14]等方面的探究。本文以紫陀螺菌的菌絲體生物量為主要測定指標,系統(tǒng)性地探究了其液體培養(yǎng)的條件,希望通過液體發(fā)酵進一步開發(fā)利用紫陀螺菌的菌絲體,為其菌絲體發(fā)酵產(chǎn)品的加工、液體接種劑的規(guī)范化制種、以及紫陀螺菌的野生種質資源的保育促繁和馴化栽培奠定基礎。
紫陀螺菌供試菌株GP01,從宜昌西陵峽針闊葉混交林下的野生子實體GPA中分離所得,由湖北三峽職業(yè)技術學院食用菌研究所保存,子實體GPA及其分離純化后的GP01菌株的形態(tài)特征見圖1。經(jīng)華中農(nóng)業(yè)大學應用真菌研究所分子鑒定無誤后,該菌株備份于中國典型培養(yǎng)物保藏中心(武漢),保藏編號為CCTCCM 2021376。
A-紫陀螺菌子實體(GPA)的形態(tài)特征(生長15~20 d); B-紫陀螺菌株GP01的菌落形態(tài)特征(生長60 d)圖1 紫陀螺菌子實體和供試紫陀螺菌菌落的形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of fruiting bodies and tested G.purpuraceus strains
A固體培養(yǎng)基(斜面試管、平板,g/L)[20]:去皮馬鈴薯200,葡萄糖20,磷酸二氫鉀3,硫酸鎂1.5,蛋白胨2,瓊脂18,pH值自然。
A液體培養(yǎng)基:在固體培養(yǎng)基的基礎上,去掉瓊脂即可。
采用IBM SPSS Statistics 26.0和GraphPad Prism v8.3.0兩個軟件進行數(shù)據(jù)處理,大多采用One-way ANOVA(and nonparametric or Mixed)進行單因素和多重比較方差分析,顯著性水平設置為0.05。本文所有的科研繪圖,主要借助GraphPad Prism v8.3.0完成。
在湖北省宜昌市三峽西陵峽地區(qū)針闊葉林下采集紫陀螺菌子實體,從中選擇新鮮飽滿的紫陀螺菌子實體,進行組織分離,取內部菌肉均勻地接種于A培養(yǎng)基上,大約7~10 d后組織塊開始萌發(fā)。轉接萌發(fā)后無污染的尖端菌絲于另一A培養(yǎng)基的平皿中進行純化,于24 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng) 50 d 后,純化后的菌落,待分子鑒定無誤后,可進行后續(xù)的發(fā)酵試驗。
紫陀螺菌子實體GPA和其分離純化GP01菌株的基因組DNA提取采用CTAB法[21],ITS-PCR擴增體系和反應程序等參照文獻[22-23]的方法,具體引物序列如表1所示。PCR產(chǎn)物經(jīng)1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測后,條帶單一的產(chǎn)物直接送測序公司(武漢華煜基因),用ITS1/4雙向測序。測序結果經(jīng)手動去除低質量堿基和拼接并后,先通過NCBI Blast序列比對,初步鑒定供試菌株是否為紫陀螺菌,并下載與供試菌株親緣關系較近的ITS序列作參考,采用ClustalW和MEGA 7.0構建系統(tǒng)發(fā)育樹,選擇極大釋然法(ML),泊松值設定為1 000(bootstrap=1 000),以準確鑒定供試菌株的分類地位。
表1 用于擴增ITS引物Table 1 Primers used for ITS
制備供試的液體培養(yǎng)基A,分裝于250 mL三角錐形瓶中,除了裝液量試驗需要不同體積的液體培養(yǎng)基外,其余的裝量均為100 mL/瓶,每種處理3瓶,即重復3次,滅菌冷卻后,待用。選取其中3瓶,接入10塊經(jīng)活化的直徑4 mm的菌種圓片,于24 ℃、150 r/min的恒溫搖床中連續(xù)振蕩培養(yǎng)25 d,使菌絲球型號和活力相對均一,制成一級種子液,備用。
將菌絲體用80目的食品級濾網(wǎng)篩出,再用ddH2O沖洗2~3次,用濾紙將菌絲壓干后,放入45 ℃的烘箱內烘干至恒重,再用萬分之一天平精確稱量其干重,紫陀螺菌菌絲生物量的計算如公式(1)所示:
S=m/V
(1)
式中:S為菌絲生物量,g/L;m為菌絲體干質量,g;V為發(fā)酵液體積,L。
1.7.1 培養(yǎng)溫度的篩選試驗
在裝有100 mL液體培養(yǎng)基A的250 mL三角錐形瓶中,各接入1塊經(jīng)活化的直徑4 mm的菌種圓片,分別置于16、18、20、22、24、26、28、30、32 ℃恒溫避光培養(yǎng),每個培養(yǎng)溫度處理重復3次。60 d后,將菌絲收集起來,用ddH2O洗凈后烘干,稱其干重,按1.6節(jié)方法測定菌絲體生物量,比較每一培養(yǎng)溫度下的菌絲生物量,并進行方差分析。
1.7.2 培養(yǎng)基初始pH值的篩選試驗
制備供試液體培養(yǎng)基A,用KH2PO4或K2HPO4,將其自然初始pH值分別調整到5.0、5.3、5.6、5.9、6.2、6.5、6.8、7.1,再將其分裝于250 mL三角錐形瓶中,裝量仍為100 mL/瓶,每種pH值重復3次。滅菌冷卻后,各接入1塊經(jīng)活化的直徑4 mm的菌種圓片,經(jīng)24 ℃恒溫避光靜置培養(yǎng)60 d后收取菌絲,洗干凈后烘干,稱取其干重,按1.6節(jié)方法測定菌絲體生物量,比較每一培養(yǎng)pH值下的菌絲體生物量,并進行方差分析。
1.8.1 裝液量的篩選試驗
制備液體培養(yǎng)基A,分別按體積比(裝液量∶容器總容量)10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%的裝液量分裝于250 mL的三角錐形瓶中,每種裝液量重復處理3次。滅菌冷卻后分別接入6 mL事先準備好的液體菌種,于24 ℃、150 r/min的恒溫搖床中連續(xù)振蕩培養(yǎng)15 d,按1.6節(jié)方法測定菌絲體生物量,比較不同裝液量下的菌絲體生物量,并進行方差分析。
1.8.2 接種量的篩選試驗
制備液體培養(yǎng)基A,按100 mL/瓶的裝液量分裝于250 mL的三角錐形瓶中。滅菌冷卻后分別按體積分數(shù)6%、8%、10%、12%、14%、16%的接種量,接入事先準備好的液體菌種,每種接種量重復3次。于24 ℃、150 r/min的恒溫搖床中連續(xù)振蕩培養(yǎng)15 d,按1.6節(jié)方法測定菌絲體生物量,比較不同接種量下的菌絲體生物量,并進行方差分析。
1.8.3 搖床轉速的篩選試驗
制備液體培養(yǎng)基A,按100 mL/瓶的裝液量分裝于250 mL的三角錐形瓶中。滅菌冷卻后分別接入6 mL事先準備好的液體菌種。分別置于轉速為90、120、150、180、210 r/min的恒溫(24 ℃)搖床中連續(xù)振蕩培養(yǎng)15 d,每種轉速處理重復3次。按1.6節(jié)方法測定菌絲體生物量,比較不同轉速下的菌絲體生物量,并進行方差分析。
1.8.4 培養(yǎng)時間對紫陀螺菌菌絲生長的影響
制備足量的液體培養(yǎng)基A,按100 mL/瓶的裝液量分裝于250 mL的三角錐形瓶中。滅菌冷卻后分成a、b、c 3組,每組處理重復60瓶。a組接種量為6%(體積分數(shù)),培養(yǎng)溫度為24 ℃,搖床轉速為150 r/min。b組接種量為10%(體積分數(shù)),培養(yǎng)溫度為24 ℃,搖床轉速為180 r/min。c組接種量為10%(體積分數(shù)),培養(yǎng)溫度為24 ℃,搖床轉速為150 r/min。在搖床中連續(xù)振蕩培養(yǎng)20 d,培養(yǎng)期間每間隔1 d(24 h)從a、b、c 3組各取出3瓶測定菌絲體的生物量,菌絲體生物量的測定方法同1.6節(jié)所述,比較不同培養(yǎng)時間下a、b、c 3組的菌絲體生物量。
湖北宜昌西陵峽紫陀螺菌子實體GPA特征的描述:子實體高10~20 cm,夏秋季于混交林地上單生或成群叢生,幼嫩時呈柱狀或陀螺狀,成熟后呈喇叭狀,菌蓋呈扇形,邊緣呈波浪狀,外表皮紫色,內部菌肉皮實,近白色。菌蓋與菌柄無明顯界線,菌褶呈分叉的條棱狀,相互連接或相互交織(圖1-A)。紫陀螺菌組織分離的菌絲體呈白色,短粗絨毛狀,由于其外生菌根真菌特性,紫陀螺菌株GP01菌落生長速度較慢,約0.4~0.6 mm/d(圖1-B)。
通過通用引物ITS1和ITS4,PCR擴增供試紫陀螺菌子實體和菌絲體的ITS基因片段(圖2),可以看出GP01菌株和GPA子實體的ITS-PCR的目的條帶大小約700 bp。經(jīng)過測序,在NCBI的Blast比對框中輸入2個樣本的序列,匹配結果皆為紫陀螺菌屬中紫陀螺菌(G.purpuraceus)及其近緣種(Gomphusspp.),這可能是由于研究紫陀螺菌,并上傳其ITS序列的分類學者較少,且早期由于測序技術的不足,部分上傳的ITS序列僅400 bp,致使NCBI早期收錄的部分序列可能存在著一定的偏差。因此,為了更準確地鑒定供試菌株,選取NCBI數(shù)據(jù)庫中公開上傳列長序度近700 bp的紫陀螺菌ITS序列作為參考,聯(lián)合本文測序的2個供試樣品的ITS序列,采取極大似然法構建系統(tǒng)發(fā)育樹。紫陀螺菌參考菌株可以很好地聚類在不同的分支下(圖3),其中,以子囊菌梯棱羊肚菌Morchellaimportuna作為外群;G.crassipes、G.ludovicianus、G.clavatusisolate和G.purpuraceus分別聚類在各自的分支上;其中供試材料(GPA,GP01)和7個紫陀螺菌(ON000129.1Gomphuspurpuraceusisolate AL PM1、ON000128.1G.purpuraceusisolate LL PM1、ON000126.1G.purpuraceusisolate GZAAS22-0001、ON000127.1G.purpuraceusisolate GZAAS22-0002、ON000130.1G.purpuraceusisolate GZAAS22-0004、OL673001.1Gomphussp.JL-2021a voucher HKAS122605)參考序列能聚類在一個分支內,置信度高達99%,且分支內的遺傳距離為0。根據(jù)參考文獻[24]的研究結論,當序列的置信度在99%以上時,可認為是相同的種,因此本研究供試的2個紫陀螺菌的來源是一致的(圖3)。
M-BM 2 000+DNA marker;1~2泳道-紫陀螺菌GPA子實體、 GP01菌株的ITS片段圖2 供試紫陀螺菌樣品的ITS基因凝膠電泳圖譜Fig.2 The gel electrophoresis patterns of ITS amplification of two G.purpuraceus materials
圖3 供試紫陀螺菌材料的ITS系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.3 The ITS phylogenetic cluster analysis of tested G.purpuraceus strain GP01 and its fruitbody GPA by maximum likelihood method
紫陀螺菌菌絲體的培養(yǎng)較腐生菌困難,但要比多數(shù)珍稀外生菌根食用菌容易。紫陀螺菌株GP01在液體培養(yǎng)基A中靜置培養(yǎng),能在液體培養(yǎng)基與空氣接觸面上形成一層厚實的白色菌絲團(圖4-A);紫陀螺菌株GP01在液體振蕩培養(yǎng)下,能形成大量黃白色的菌絲球,絕大多數(shù)菌絲球外表相對光滑,極少數(shù)外表面可見短粗濃毛(圖4-B)。因此,為了更加方便和快捷地篩選出液體發(fā)酵培養(yǎng)的最佳條件,選擇在液體靜置培養(yǎng)條件下,篩選溫度和pH值兩大因素;而裝液量、接種量、搖床轉速和培養(yǎng)時間等因素與液體振蕩培養(yǎng)密切相關,本研究選擇在液體振蕩培養(yǎng)條件下進行。
A-紫陀螺菌株GP01在液體靜置培養(yǎng)下的形態(tài)(生長60 d); B-紫陀螺菌株GP01在液體振蕩培養(yǎng)下的形態(tài)(生長15 d)圖4 供試紫陀螺菌株GP01在液體靜置培養(yǎng)和 振蕩培養(yǎng)條件下菌絲體形態(tài)特征Fig.4 Morphological characteristics of mycelia of the tested G.purpuraceus strain GP01 under the conditions of static liquid culture and shaking culture
不同培養(yǎng)溫度下紫陀螺菌株GP01菌絲的生物量見圖5。由圖5可知,紫陀螺菌菌絲在16~28 ℃內均能生長,在以2 ℃為溫度梯度的條件下培養(yǎng),24 ℃時紫陀螺菌株GP01菌絲生物量最大(約1.23 g/L),與其他處理組有顯著差異(P<0.05),當溫度低于24 ℃時,菌絲生長速度隨溫度升高而加快,當溫度高于24 ℃時,菌絲生物量隨溫度升高而明顯減緩,故紫陀螺菌株GP01菌絲最適生長溫度為24 ℃。當溫度高于30 ℃時,菌絲均未明顯生長,30、32 ℃培養(yǎng)的菌絲體最終生物量與初始接種量相近,說明30 ℃是紫陀螺菌株GP01菌絲生長的極限致死高溫。
圖5 溫度對紫陀螺菌株GP01株GP01菌絲生長速度的影響Fig.5 The effect of temperature on the mycelium growth rate of G.purpuraceus strain GP01注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)。
不同培養(yǎng)基初始pH值對紫陀螺菌株GP01液體靜置培養(yǎng)菌絲體生物量的影響見圖6,紫陀螺菌菌絲在培養(yǎng)基初始pH值5.0~7.1均能生長,最適初始pH值為6.5,此時菌絲體生物量最大(約1.34 g/L),在pH值為5~6.5,菌絲體生物量隨初始pH值升高而逐漸增多,在pH值為6.5~7.1,菌絲體生物量隨初始pH值升高而明顯減少。
圖6 初始pH值對紫陀螺菌株GP01液體靜置培養(yǎng) 菌絲體生物量的影響Fig.6 The effect of initial pH on the mycelia biomass of G.purpuraceus strain GP01 in static liquid culture
不同裝液量對紫陀螺菌株GP01振蕩培養(yǎng)菌絲體生物量的影響見圖7,液體振蕩培養(yǎng)15 d后,當裝液量≥20%時,紫陀螺菌株GP01的菌絲體生物量會隨著裝液量的增加而降低,當裝液量為20%時,菌絲體生物量最大(約1.57 g/L),證明紫陀螺菌是一種好氧真菌。綜合考慮紫陀螺菌液體菌種培養(yǎng)的通氣量和菌種生產(chǎn)成本等因素,認為紫陀螺菌液體菌種培養(yǎng)的適宜裝液量為20%。
圖7 裝液量對紫陀螺菌株GP01菌絲體振蕩培養(yǎng)的影響Fig.7 The effect of liquid volume on the mycelia biomass of G.purpuraceus strain GP01 in shaken liquid culture
不同接種量對紫陀螺菌株GP01液體振蕩培養(yǎng)菌絲體生物量的影響,如圖8所示。液體振蕩培養(yǎng)15 d后,在接種量為6%~16%(體積分數(shù))時,紫陀螺菌株GP01的菌絲體生物量會隨著接種量的增多而增多,當接種量為14%~16%(體積分數(shù))時,菌絲體的生物量最大,為1.44~1.72 g/L。綜合考慮紫陀螺菌液體菌種生產(chǎn)成本等因素,認為紫陀螺菌液體菌種培養(yǎng)的適宜接種量為14%。
圖8 接種量對紫陀螺菌株GP01菌絲體振蕩培養(yǎng)的影響Fig.8 The effect of inoculation volume on the mycelia biomass of G.purpuraceus strain GP01 in shaken liquid culture
在搖床不同的振蕩速度下,紫陀螺菌株GP01菌絲在液體培養(yǎng)基A中的生物量見圖9??梢钥闯?紫陀螺菌菌絲體的生物量隨著轉速的增加而增加。收取菌絲體時,當搖床轉速≤120 r/min時,菌球體積相對較大,菌球中心因菌絲缺氧生長緩慢,導致菌絲體生物量較低。當搖床轉速為150~180 r/min時,菌絲體生物量較高,在1.35~1.45 g/L,可能因培養(yǎng)基中溶氧度高,有利于菌絲快速生長。當轉速增至210 r/min時,菌絲體生物量干重比180 r/min時的低,可能因轉速過高對菌絲造成機械損傷影響菌絲正常生長。由此認為,紫陀螺菌株GP01液體振蕩培養(yǎng)時搖床轉速設置為180 r/min較為適宜。
圖9 轉速對紫陀螺菌株GP01菌絲體振蕩培養(yǎng)的影響Fig.9 The effect of shaking speed on the mycelia biomass of G.purpuraceus strain GP01 in shaken liquid culture
不同培養(yǎng)時間對a、b、c 3組培養(yǎng)組合的紫陀螺菌株GP01菌絲體振蕩培養(yǎng)的影響見圖10。由圖10可知,在100 mL固定體積的液體培養(yǎng)基A中紫陀螺菌菌絲體的生物量,3種不同的組合處理組的生長曲線都均呈現(xiàn)典型“S”形。在培養(yǎng)的第1天~第3天(適應期),菌絲體生長緩慢,生物量也增長平緩。培養(yǎng)3 d以后進入對數(shù)增長期,菌絲體生長迅速,生物量顯著上升。a、b、c 3組分別培養(yǎng)至第16、13、14天時,菌絲體生物量達到最高(分別為1.473、1.481、1.480 g/L)。從第15天開始,3組的菌絲體生物量開始出現(xiàn)交差與重迭,此時應該是結束發(fā)酵的最佳時期,此后繼續(xù)培養(yǎng),由于菌絲自溶,生物量逐漸下降。由此認為,紫陀螺菌液體發(fā)酵菌絲體的生物量和發(fā)酵終點因接種量、培養(yǎng)溫度、搖床轉速(通氣量)而異,適當增加接種量和搖床轉速有助于提高菌絲體生物量和縮短發(fā)酵時間。
圖10 培養(yǎng)時間對紫陀螺菌株GP01菌絲體振蕩培養(yǎng)的影響Fig.10 The effect of culture duration on the mycelia biomass of G.purpuraceus in shaken liquid culture
國內有關紫陀螺菌的研究很少,本研究從野外采集紫陀螺子實體進行菌種的分離、純化和分子鑒定,基于ITS1和ITS4的測序結果,以子囊菌梯棱羊肚菌KH025為外群,采用極大似然法構建了一個系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)野生菌株GP01與宜昌原始采集地的紫陀螺菌子實體的ITS序列完全重合,均為紫陀螺菌G.purpuraceus。同時,液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物的制備不僅能用于食品加工業(yè),也是培養(yǎng)菌根苗的先決條件[4],而建立合適的液體發(fā)酵體系是獲得大量菌絲體的基礎。
基于課題組前期的研究成果,本試驗選取了培養(yǎng)基A作為基礎培養(yǎng)基。由于紫陀螺菌株GP01菌絲體只在平板培養(yǎng)基的上表面匍匐生長(未深入基質),長速十分緩慢,生物量也很低,而且培養(yǎng)基因培養(yǎng)時間過長(2.5~3個月長滿9 cm平板),最終也很容易變干萎縮,因此,本試驗采用液態(tài)培養(yǎng)法,對紫陀螺菌菌絲的生長進行了單因子控制條件的研究。液體培養(yǎng)試驗結果顯示,在液體培養(yǎng)基A上,紫陀螺菌菌絲體能在溫度16~30 ℃,初始pH值為5.0~7.1的環(huán)境中生長,最適宜的溫度是24 ℃,最適宜的pH值6.5。同時,紫陀螺菌也是一種好氧真菌,綜合考慮通氣量和生產(chǎn)成本等因素,認為紫陀螺菌液體培養(yǎng)裝液量20%(體積分數(shù))為宜,接種量14%~16%(體積分數(shù))為宜,搖床轉速180 r/min為宜。在固定體積(100 mL)的液體培養(yǎng)基中,紫陀螺菌菌絲體的生物量因培養(yǎng)時間而異,但變化趨勢和最終的菌絲體生物量基本相同,呈現(xiàn)S型曲線,這與杏鮑菇等真菌在有限的物質和空間條件下的液體發(fā)酵特性類似[25]。值得注意的是,在適宜的條件下,適當加大接種量和搖床轉速,可以促進菌絲生物量的增加,減少液體發(fā)酵時間。這表明,通過液體培養(yǎng)技術,可以在短時間內得到一定量的紫陀螺菌的菌絲,并且不會受到季節(jié)、環(huán)境的制約,從而在一定程度上減少了紫陀螺菌資源的開發(fā)成本。雖然野生紫陀螺菌子實體和液體發(fā)酵菌絲體的培養(yǎng)條件不同,二者的營養(yǎng)成分可能也有差異,但是液體發(fā)酵也不失為一種快速獲取紫陀螺菌多糖等營養(yǎng)物質的途徑或方法,且大量菌絲體也能用于菌根苗的批量合成,具有一定的應用前景。隨著測序技術和生物信息學技術的高速發(fā)展以及紫陀螺菌基因組信息的陸續(xù)公布,建議未來可根據(jù)其基因組信息中的CAZymes(carbohydrate-active enzymes)等的分布特征,進一步地優(yōu)化紫陀螺菌液體深層培養(yǎng)的工藝條件和培養(yǎng)基配方,尤其是紫陀螺菌可能對蔗糖和麥芽糖等二糖的利用效率較高[26],深入探究紫陀螺菌的生態(tài)作用、食品應用開發(fā)途徑及其潛在的人工馴化。