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圆酵母B84512单倍体的制备及其产赤藓糖醇特性分析



全 文 :食品与生物技术学报 2013 年第 32 卷第 12 期
窦文芳,等: 圆酵母 B84512 单倍体的制备及其产赤藓糖醇特性分析研究论文
圆酵母 B84512单倍体的制备及其产赤藓糖醇特性分析
窦文芳 1, 高 慧 1, 张旦旦 1, 张六六 2, 许正宏 1, 陆茂林 *2
(1. 江南大学 药学院,江苏 无锡 214122; 2. 江苏省微生物研究所,江苏 无锡 214063)
Breeding of Torula sp. B84512 Haploid and
Analysis of Erythritol Production Characteristics
DOU Wen-fang1, GAO Hui1, ZHANG Dan-dan1, ZHANG Liu-liu2, XU Zheng-hong1, LU Mao-lin*2
(1. School of Pharmaceutical Sciences,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2. Jiangsu Institute of Microbiology,
Wuxi 214063,China)
Abstract: The Torula sp. B84512 was used for the industrial production of erythritol. To obtain a
haploid genetics hybrid breeding of Torula sp. B84512,spore-producing cultivation of B84512 were
done after cultured on Mcclary medium for 7 days at 30 ℃,and the sporulation rate could reach to
45%. Lysing the ascospore cell with snail enzyme for 150 min,10 haploid strains were screened.
Furthermore,3 of them exhibit the highest ability to produce erythritol,and named as Torula sp.
B84512-7,B84512-8 and B84512-9,respectively. With the PCR verification,Torula sp. B84512-7
and B84512-8 were verified as alpha type but Torula sp. B84512-9 was a type. The erythritol
production of heterozygous Torula sp. B84512-79 reached at 97 g/L which was 56% of that of the
parental strain. Therefore,Torula sp. B84512-7 and Torula sp. B84512-9 could be used for the
further genetic manipulation.
Keywords: Torula sp. B84512,haploid,ascospore,erythritol
摘要: 圆酵母 B84512 为工业用赤藓糖醇生产菌株,为获得其遗传育种单倍体亲本,以 Mcclary
产孢培养基进行该菌株子囊孢子萌发,萌发条件为:30℃,培养 7 d,菌株产孢率为 45%;以蜗牛
酶裂解子囊孢子细胞壁 150 min,共筛选出 10 株单倍体菌株,其中 3 株在发酵培养基中合成赤
藓糖醇的能力相对较高, 分别命名为 Torula sp. B84512-7,Torula sp. B84512-8 及 Torula sp.
B84512-9。 经 PCR验证, 前两者为 α型, 后者为 a型。 将 3 株单倍体两两杂合, 发现杂合子
Torula sp. B84512-79 的发酵性能最佳,赤藓糖醇产量高达 97 g/L,约为出发菌株的 56%。 赤藓
糖醇产量较高的单倍体亲本 Torula sp. B84512-7及 Torula sp. B84512-9可用于基因工程育种。
关键词: 圆酵母 B84512;单倍体;子囊孢子;赤藓糖醇
中图分类号: Q 939.97 文献标志码:A 文章编号:1673—1689(2013)12—1327—06
收稿日期: 2013-06-03
基金项目: 江苏省科委社会发展基金项目(BE2010629)。
作者简介: 窦文芳(1976—),男,山东商河人,副教授,主要从事微生物分子改造研究。 E-mail:douwenfang@yahoo.com.cn
* 通信作者: 陆茂林(1961—),男,安徽铜陵人,研究员,主要从事工业微生物研究。 E-mail:jsimlml2012@tom.com
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DOU Wen-fang,et al: Breeding of Torula sp. B84512 Haploid and Analysis
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赤藓糖醇具有低热量、高甜度、高耐受性、不致
龋齿等特性 [1-3],被广泛应用于食品、医药及化工等
行业。 我国对赤藓糖醇的开发研究较晚,生产上多
采用野生菌株,发酵性能较为落后 [4-5]。 Spencer 等 [6]
研究发现,耐高渗酵母在耗氧条件下以葡萄糖或蔗
糖等为碳源时主要通过 HMP 途径生成赤藓糖醇,
即通过磷酸戊糖途径和糖酵解途径产生足够的还
原力,生成大量的赤藓糖-4-磷酸,而后在赤藓糖还
原酶的作用下脱磷酸生成赤藓糖醇并释放到胞外,
在该途径中赤藓糖还原酶催化最后一步反应,被认
为是关键酶。 Hattori 等在研究酵母 Czeylanoides 产
赤藓糖醇的过程中发现,赤藓糖醇较快积累时转醛
酶的活力被显著抑制[7]。 结合代谢途径分析可知,通
过基因工程手段解除产物对 HMP 途径中赤藓糖还
原酶、己糖激酶、转醛酶等关键酶的反馈抑制,维持
其高活力是获得高产赤藓糖醇的关键。
圆酵母 B84512 是工业用赤藓糖醇生产菌株之
一,赤藓糖醇产量在 180 g/L 左右,传统的菌种改良
及培养条件优化等手段已难以进一步提升其产量,
基因工程育种必将成为解决其产业瓶颈的有效手
段之一。 圆酵母营养细胞多为二倍体,诱导酵母产
孢并获得单倍体是其遗传学和育种工作极为关键
的一步[8]。 单倍体细胞既可用于酵母遗传性状分析,
又可作为杂交和分子遗传学研究的亲本[9-10]。单倍体
细胞的结合型由 MAT 基因座上的等位基因 MAT-a
及 MAT-α决定。 在 a细胞中,a1基因出现在 MAT-
a 基因座上, 而在 α 细胞中,α1 和 α2 基因出现在
MAT-α基因座上。 在双倍体细胞中,此两种交配型
控制基因都会表达。 因此,可根据基因结合位点的
不同采用 PCR的方法进行倍型鉴定,鉴定为异倍体
的菌株方可用于杂交或分子操作。
目前,对赤藓糖醇生产菌株圆酵母的单倍体制
备及基因工程育种的研究鲜见报道。 作者以圆酵母
B84512为研究对象,在不同产孢培养基上进行产孢
实验,确定单倍体分离的最佳条件;以赤藓糖醇产
量为主要参量,对所得圆酵母单倍体及其杂合子进
行发酵特性分析,筛选出性能优良的单倍体,为圆
酵母基因工程育种奠定了基础条件。
1.1 材料
1.1.1 培养基 SPM 产孢培养基(g/L):葡萄糖 1,
氯化钾 0.1,磷酸二氢钾 0.68,酵母膏 2.5,固体培养
基加体积分数 2%琼脂。
Mcclary 产孢培养基 (g/L):葡萄糖 1,氯化钾
1.8,乙酸钠 8.2,酵母膏 2.5,固体培养基加体积分数
2%琼脂。
YPD 培养基(g/L):酵母粉 10,蛋白胨 20,葡萄
糖 20。固体培养基添加体积分数 2%的琼脂,用于酵
母菌的培养。
发酵培养基(g/L):葡萄糖 300,酵母粉 10,尿
素 1, 五水合硫酸铜 0.01, 一水合硫酸锰 0.01,pH
自然。
1.1.2 实验试剂及配置方法 石炭酸蕃红染色液:
蕃红 0.1 g, 体积分数 3%石炭酸 90 mL, 体积分数
0.5%酒精 10 mL。
碱性美兰染色液:配制方法按文献[11]进行。
体积分数 3%酸性酒精:100 mL 体积分数 95%
酒精加 3 mL盐酸。
1.2 方法
1.2.1 诱导孢子形成方法 将圆酵母 (Torula sp.)
B84512 接种至 YPD 斜面培养基中,30℃恒温培养
3 d 活化。 活化两次后将菌体用无菌生理盐水离心
洗涤(3 500 r/min,5 min)3次,将菌泥涂布在固体产
孢培养基中,于 30 ℃恒温培养 3~8 d。 在显微镜下
观察视野内子囊孢子形成情况,并计算产孢率。
产孢率=子囊孢子数
总细胞数
×100%
1.2.2 子囊孢子的分离及单倍体的获得
1) 用无菌生理盐水将孢子从培养基中洗下来
制成孢子悬液,5 000 r/min 离心 5 min 收集菌体,加
入蜗牛酶使其终质量分数为 2%。
2)33 ℃水浴酶解 30,60,90,120,150 min,将酶
解液转至 58 ℃水浴锅中处理 8 min 以杀死营养体
细胞。
3)将酶解液置于冰上,待完全冷却后倒入 50 mL
的离心管中,并在其中加入已灭菌的玻璃珠、生理
盐水和液体石蜡,置于摇床上振荡 30 min,将菌液
进行逐级稀释并取 10~5 倍稀释液涂布于 YPD固体
培养基,30 ℃恒温培养至长出单菌落。
4)挑取单菌落在产孢培养基中再培养,在显微
镜下观察子囊孢子的形成情况[12]。 凡不形成子囊孢
子的确定为单倍体,将单倍体菌株在 YPD 培养基中
培养后甘油保种,冻存。
材料与方法1
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1.2.3 单倍体菌株发酵性能 将冻存菌株在 YPD
培养基中活化后,转接入发酵培养基,测定菌浓、残
糖及产物赤藓糖醇的生成情况。 将赤藓糖醇产量较
高的菌株用于后续实验。
1.2.4 单倍体倍型验证 设计引物 MAT-F、MAT-
α、MAT-a(见表 1)。 MAT-F 位于 MAT 基因座右侧
且指向 MAT 基因座;MAT-α 位于 MATα 及 HMRα
上的 α -特异性 DNA 上 ;MAT-a 位于 MATa 及
HMLa上的 a-特异性 DNA上[13]。将 3条特异性引物
加入 PCR 反应体系中,α 倍型的菌株将产生 404 bp
的条带,a 倍型的单倍体菌株将产生 544 bp 的条
带, 双倍体菌株将在 404 bp 和 544 bp 处均有扩增
条带。
表 1 单倍体倍型验证引物
Table 1 Primer of validation haploid type
注:引物由上海生工生物工程有限公司合成。
1.2.5 发酵液中赤藓糖醇测定 采用 HPLC法。 色
谱条件: 色谱柱为 Alltech Prevail Carbohydrate ES
(4.6 mm×250 mm,5μm),流动相为乙腈和水(体积
比 75∶25);体积流量为 1.0 mL/min;RI 2000 型示差
折光检测器;柱温为 30 ℃
1.2.6 单倍体杂交及杂合子发酵性能测定 将验
证为 a 型和 α 型的单倍体菌株混合接种于 YPD 液
体培养基中,30 ℃,200 r/min摇床培养,镜检观察杂
合子的接合情况。 镜检杂交完成后吸取适量菌液,
涂布于固体完全培养基,30 ℃恒温培养至长出单菌
落。 挑取单菌落在产孢培养基上划线,染色后在显
微镜下观察子囊孢子的形成情况,能够形成子囊孢
子的菌株确定为二倍体。 将二倍体菌株接种于 YPD
培养基,30 ℃,200 r/min 培养活化两次后转接入发
酵培养基,测定单倍体杂交后杂合子的菌株生长性
能、赤藓糖醇合成情况及副产物甘油形成情况。
1.2.7 其他检测方法 子囊孢子检测采用染色法
[14],发酵液中葡萄糖的测定采用 3,5-二硝基水杨酸
法 [15], 菌体生物量测定采用分光光度法 DCW=
0.485A600。
2.1 高产孢率培养基的筛选
研究两种不同产孢培养基中 Torula sp. B84512
菌株的产孢情况,任取 5 个视野,计算产孢率,结果
如图 1 所示。 Torula sp.B84512 菌株在 SPM 产孢培
养基产孢率较小, 培养 8 d产孢率不到 10%; 麦氏
(Mcclary)培养基中的产孢率较大,且随着培养时间
的延长产孢率逐渐增加, 培养至 7 d 时产孢率达
45%以上,之后子囊孢子生成速率减慢,说明 7 d 为
子囊孢子的最佳培养时间。 因此选择 Mcclary 培养
基为产孢培养基,培养时间为 7 d。
图 1 不同培养基及产孢时间对产孢率的影响
Fig. 1 Effective of sporulation rate by different sporulation
medium and time
2.2 不同裂解时间对子囊孢子裂解率的影响
以蜗牛酶作用于圆酵母细胞壁,从图 2 可以看
出,随着裂解时间的延长,子囊孢子的裂解率不断
增加,150 min 时,裂解率达到 100%。 因此,将蜗牛
酶作用于细胞壁的裂解时间确定为 150 min。
图 2 裂解时间对子囊孢子裂解率的影响
Fig. 2 Effect on cleavage rate of ascospores with different
lysis time
结果与分析2
引物名称 引物序列
MAT-F 5’-AGT CAC ATC AGG ATC GTT TAT GG-3’
MAT-α 5’-GCA CGG AAT ATG GGA CTA CTT CG-3’
MAT-a 5’-ACT CCA CTT CAA GTA AGA GTT TG-3’
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2.3 单倍体的获得
按 1.2.2 中实验方法制备 Torula sp.B84512 单
倍体, 经过一系列分离筛选共筛选出 10 株单倍体
菌株,菌落均呈白色、圆形,且表面光滑,极易挑取。
挑取上述单倍体菌落进行染色并镜检验证,结果如
图 3 所示。 圆酵母 B84512 的孢子多为 3 孢或 4 孢
(图 3(a)),而单倍体菌株则不形成孢子(图 3(b))。
图 3 圆酵母 B84512 孢子和单倍体图
Fig. 3 Spores and the haploids of Torula sp.B84512
2.4 单倍体菌株发酵性能确定
将筛选出的 10 株单倍体菌株接种至发酵培养
基中,于 30℃,200 r/min 培养 160 h,测定残糖量、菌
体量及赤藓糖醇产量,测定结果如图 4 所示。 由圆
酵母 B84512 为出发菌株筛选出的 10 株单倍体菌
株发酵性能相差较大, 说明圆酵母 B84512 的发酵
能力由多个基因控制。 其中单倍体菌株 Torula sp.
B84512 -7、Torula sp.B84512 -8 及 Torula sp.
B84512-9对碳源消耗速率、菌体生长量及合成赤藓
糖醇的能力均优于其他菌株。 发酵 160 h 此 3株单
倍体菌株碳源消耗速率与亲本菌基本相同,残糖量
均小于 10 g/L。 但菌体生物量以及赤藓糖醇产量均
低 于 亲 本 菌 ,Torula sp.B84512 -7 及 Torula sp.
B84512-9 菌体生物量为 60 g/L 左右, 可合成赤藓
糖醇 100 g/L 左右,Torula sp.B84512-8 可发酵得到
82 g/L赤藓糖醇,菌体生物量为 58 g/L。将 3株高产
赤藓糖醇单倍体菌株于种子斜面培养基中传代
10 次,菌体表型及菌株发酵性能稳定,可作为基因
工程育种的亲本。
2.5 单倍体倍型鉴定
单倍体倍型验证主要有 3 种方法:1)用实验室
保藏的已知倍型的单倍体与未知倍型的酵母菌株
进行杂交,如果有哑铃型细胞产生,说明两株菌可
以杂交并为异倍体, 若不能则说明为相同倍型菌
株;2)用 α 因子处理未知倍型的单倍体菌株,若处
理过的细胞呈现梨形,说明此细胞为 a 型,反之为 α
型;3)采用 PCR 方法验证,若 404 bp 处出现条带则
为 α 型,在 544 bp 有条带为 a 型,404 bp 级 544 bp
处均有条带则为二倍体。作者采用 PCR方法进行鉴
定。
图 4 单倍体菌株与出发菌株发酵性能比较
Fig. 4 Comparision of fermentation process between
haploid strains and original
从图 5可以看出,Torula sp.B84512 亲本菌株为
二 倍 体 菌 株 ;Torula sp. B84512 -7、Torula sp.
B84512-8 菌株的倍型相同, 均为 α 型;Torula sp.
B84512-9菌株为 a型。
M:DL marker 2501;Lane 1,2,3,4:Torula sp. B84512-7,8,9
and Torula sp. B84512.
图 5 单倍体倍型鉴定
Fig. 5 Validation of haploid type
2.6 杂合子及杂合子发酵性能测定
单倍体细胞具有结合能力, 在杂合过程中,不
同交配型的单倍体菌株在合适的营养条件下,通过
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细胞间的相互识别、相互交配,通过质配、核配,最
后融合成一个完整的二倍体菌株。 在两个细胞的结
合过程中会出现哑铃型细胞,哑铃型细胞的检出可
以作为是否杂交的一种方法。将 Torula sp. B84512-
7、Torula sp. B84512-8、Torula sp. B84512-9 这 3 株
单倍体双双进行杂交, 单倍体混合培养 4 h 开始出
现少量哑铃型细胞,随着时间的延长,相互作用增
加,哑铃型细胞逐渐增加,60 h 后哑铃型细胞变少,
且细胞个体较大,视为杂交完成,得到杂合子 Torula
sp. B84512 -78、Torula sp. B84512 -89、Torula sp.
B84512-79 共 74 株。 将杂合子接种于发酵培养基
中, 在 3 种杂合子中分别筛选出生物量较高的菌
株。 将 3 株菌再次活化后接种于发酵培养基中,测
定赤藓糖醇的产量并与原始菌进行比较(图 6)。
图 6 杂合子发酵产赤藓糖醇比较
Fig. 6 Comparison of erythritol yield by Heterozygous
3株杂合子的发酵性能均低于原始菌株, 发酵
148 h,Torula sp. B84512-79 的赤藓糖醇产量最高,
达到97 g/L,与单倍体亲本发酵性能相当;而 Torula
sp. B84512-89及 Torula sp. B84512-78 发酵产赤藓
糖醇产量较低,为 40 g/L左右,低于单倍体亲本。 可
见 , 单 倍 体 Torula sp. B84512 -7 和 Torula sp.
B84512-9具有较好的发酵性能,可作为基因工程育
种的单倍体亲本应用于研究。
赤藓糖醇广泛应用于食品、医药、化工等各方
面,可经化学法或生物法合成。 以圆酵母 B84512为
研究对象, 在不同产孢培养基上进行产孢实验,表
明最佳产孢培养基为 Mcclary 培养基, 培养条件为
30℃,7 d,产孢率为 45%左右;筛选出 10 株单倍体
菌株,其中 3 株在发酵培养基中合成赤藓糖醇产量
相对较高, 分别命名为 Torula sp. B84512-7、Torula
sp. B84512-8 及 Torula sp. B84512-9,经 PCR 方法
验证前两者为 α 型,后者为为 a 型;将 3 株单倍体
两两杂合, 发现杂合子 Torula sp. B84512-79 的发
酵性能最佳,赤藓糖醇产量高达 97 g/L。赤藓糖醇产
量较高的单倍体亲本 Torula sp. B84512-7 及 Torula
sp. B 84512-9 可用于基因工程育种。
应用基因工程育种的方法提高赤藓糖醇工业
生产菌株发酵性能的研究鲜见报道,本文中初步探
索了赤藓糖醇生产菌株圆酵母的单倍体制备技术,
为进一步研究该菌株的基因工程操作奠定了基础。
结 语3
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欧盟食品安全局就锰的膳食参考值发表科学意见
食品伙伴网讯 据欧盟网站消息,2013 年 11 月 4 日欧盟食品安全局就锰的膳食参考值发表科学意见,建议成年
人(包含孕妇及哺乳期妇女)适宜摄入量(AI)为 3 mg/天,7-11 个月婴儿 AI 范围为 0.02-0.5 mg/天,1-3 岁儿童 AI 为
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台湾地区制定食用藻类中脱镁叶绿酸盐的检验方法
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