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High temperature resistant critic acid producing strain breeding by protoplast fusion

原生质体融合选育耐高温柠檬酸生产菌



全 文 :第 13卷第 5期
2015年 9月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 5
Sep􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 05􀆰 005
收稿日期:2014-10-10
基金项目:国家自然科学基金(31171640)
作者简介:徐  凯(1988—),男,山东淄博人,硕士研究生,研究方向:菌种选育及发酵条件优化;张伟国(联系人),教授,E⁃mail:zhangwg168@
126.com
原生质体融合选育耐高温柠檬酸生产菌
徐  凯,张伟国
(江南大学 工业生物技术教育部重点实验室,江苏 无锡 214122)
摘  要:为获得耐高温柠檬酸生产菌,利用原生质体融合技术将具有优良性状的高产菌株 W和耐高温柠檬酸生产
菌 Y 711进行融合,筛选耐高温的高产柠檬酸生产菌。 通过变色圈筛选得到融合株 R502,在 40 ℃培养 72 h就可
产酸 118􀆰 7 g / L,其产酸量比亲本菌株分别高 10􀆰 5%和 21􀆰 0%,培养时间分别减少 14􀆰 3%和 7􀆰 7%,该菌株遗传稳
定。 原生质体融合是一种有效获得耐高温柠檬酸生产菌的方法。
关键词:原生质体融合; 黑曲霉; 耐高温柠檬酸生产菌株
中图分类号:Q784        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)05-0026-05
High temperature resistant critic acid producing
strain breeding by protoplast fusion
XU Kai,ZHANG Weiguo
(Key Laboratory of Industrial Biotechnology of the Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
Abstract:To obtain high temperature resistant critic acid producing strain, the protoplast of high⁃yield
strain W and high temperature resistant mutant strain Y⁃711 were fused. The obtained fusion strain R502
produced 118􀆰 7 g / L acid after cultivation at 40 ℃ for 72 h. The acid yield of stain R502 increased
10􀆰 5% compared with strain W and 21􀆰 0% compared with strain Y⁃711,respectively. Cultivation time
reduced 14􀆰 3% compared to strain W and 7􀆰 7% compared to strain Y⁃711,respectively. The strain R502
was genetically stable. Protoplast fusion is an effective method to obtain a high temperature resistant citric
acid producing strain.
Keywords:protoplast fusion; Aspergillus niger; high temperature resistant critic acid producing strain
    柠檬酸,又名枸橼酸,是生物体主要的代谢产
物之一,被广泛应用于食品、医药和化工等行业
中[1]。 近年来,柠檬酸的需求量越来越大,因此,选
育优良性状的柠檬酸生产菌株备受重视。 当前柠
檬酸生产用菌株多为不耐高温菌株,发酵生产过程
中需要大量冷却水控制发酵温度,从而使生产成本
居高不下。 据武国庆等[2]测算,300 m3发酵罐的发
酵温度每升高 1 ℃,则每吨柠檬酸至少减少循环冷
却水量 15􀆰 2 t。 耐高温柠檬酸生产菌生长快、代谢
活力高、发酵周期短,有利于提高设备利用率,减少
冷却水用量,降低生产成本。 但是,目前国内外对
柠檬酸生产菌株的研究多集中于利用物理、化学方
法提高产量,忽略了对耐高温菌株的研究,所以对
其开展研究有一定的实际意义。
原生质体融合是 20世纪 50年代发展起来的一
项重要的基因重组技术[3-4],灭活原生质体融合技
术则是原生质体融合技术的一个重要发展[5]。 灭
活原生质体融合就是利用适当的方法处理单一亲
株或双亲株的原生质体,其某一位置的生理结构产
生微小损伤而失去再生能力。 经融合后,由于致死
损伤部位的互补而形成再生的融合体[6]。 因此,利
用灭活原生质体融合技术选育耐高温生产菌株具
有可行性。
黑曲霉经过多次物理诱变和化学诱变后,产
量很难再提高。 故笔者通过对黑曲霉原生质体
融合条件的研究,希望能够打破长期诱变带来的
积累效应,获得耐高温高产菌株,应用于实际
生产。
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
1􀆰 1􀆰 1  菌种
黑曲霉 W和黑曲霉诱变株 Y 711均保藏于工
业生物技术教育部重点实验室。 其中,黑曲霉 W为
35 ℃时产量较高、生产周期较长的菌株,但是在 40
℃时不产酸;诱变株 Y 711 为诱变得到的耐高温
菌株,生产周期较短,但产酸较低。
1􀆰 1􀆰 2  培养基
固体培养基(PDA) (g / L):葡萄糖 20,马铃薯
200,琼脂 20。 0􀆰 1 MPa、121 ℃下灭菌 20 min。
选择培养基:PDA固体培养基补加 0􀆰 04%溴甲
酚绿。
菌丝生长培养基:PDA 液体培养基补加 5 g / L
酵母膏,5 g / L蛋白胨。
高渗培养基:PDA 固体培养基补加 0􀆰 6 mol / L
NaCl。
发酵培养基:质量分数为 25%玉米粉液化液与清
液按体积比 1 ∶ 4混合,(NH4)2SO4 2 g / L,MgSO4·7H2O
0􀆰 5 g / L,MnSO4·4H2O 0􀆰 1 g / L,FeSO4·7H2O 0􀆰 1 g / L,
K2HPO4 1 g / L。 pH 4􀆰 0。 0􀆰 1 MPa、121 ℃灭菌 20 min。
1􀆰 1􀆰 3  试剂
磷酸缓冲液(PBS):0􀆰 2 mol / L 磷酸缓冲液,加
入 0􀆰 4 mol / L NH4Cl;pH 6􀆰 0。
渗稳剂:0􀆰 8 mol / L NaCl溶液。
酶液:蜗牛酶、溶菌酶和纤维素酶以质量比 1 ∶
3 ∶7的比例用 PBS 溶液配制,用 0􀆰 22 μm 滤膜除菌
后于 4 ℃冰箱过夜备用。
1􀆰 1􀆰 4  主要仪器
光学显微镜,上海沪杏光学仪器有限公司;台式
高速离心机,美国贝克曼库尔特公司;单人净化工作
台,苏州净化设备有限公司;全温摇床,太仓强乐实验
有限责任公司;恒温振荡器,常州国华电器有限公司。
1􀆰 2  方法
1􀆰 2􀆰 1  总酸的测定
发酵液经定性滤纸过滤后吸取 1 mL,用 0􀆰 142 9
mol / L NaOH溶液进行滴定,所消耗的 NaOH 毫升数
即为发酵液中柠檬酸的质量浓度(g / L) [7]。
1􀆰 2􀆰 2  总糖的测定
发酵液经过定性滤纸过滤,稀释适当倍数,用
蒽酮硫酸法[8]测定。
1􀆰 2􀆰 3  还原糖的测定
发酵液经过定性滤纸过滤,稀释适当倍数,用
3,5 二硝基水杨酸(DNS)法[9]测定。
1􀆰 2􀆰 4  黑曲霉原生质体的制备
1)菌丝培养  将在 PDA 斜面上生长旺盛的两
亲本菌株孢子,制成孢子悬浮液,将其孢子含量稀
释至 108 个 / mL。 取 0􀆰 1 mL 接种于菌丝生长培养
基中,于 35 ℃、200 r / min的摇床上培养 24 h。
2)原生质体的制备  3 000 r / min 离心 5 min,
将菌丝与培养基分离,并用渗稳剂洗涤 2次,洗涤后
置于离心管中。 加入配制好的酶液,32 ℃恒温水浴
振荡酶解 2􀆰 5 h。 用 4 层高级擦镜纸过滤后,3 000
r / min离心 15 min 将滤液分离,用渗稳剂洗涤 3 次
后,重悬收集到的原生质体[10]。
1􀆰 2􀆰 5  黑曲霉原生质体灭活
将收集到的两亲株的原生质体适当稀释,使其
密度为 105 个 / mL。 在 2个直径 9 cm的培养皿中分
别加入 5 mL 悬浮液。 将培养皿置于 15 W 紫外灯
下 10 cm处,分别振摇照射 1、3、 6、 9 和 12 min,然
后每皿取 200 μL涂布于高渗平板上,在 35 ℃下培
养 48 h后进行菌落计数[11]。 并按上述步骤重复试
验 2次。 按式(1)计算灭活率,选择灭活率刚好达
到 100%时为最佳灭活条件。
灭活率=
灭活前高渗平板上的菌落数-灭活后高渗平板上的菌落数
灭活前高渗平板上的菌落数
×100%
(1)
1􀆰 2􀆰 6  原生质体融合
将灭活后的双亲原生质体等量混合于无菌离心
管中,加入预热的 1 mL 聚乙二醇(PEG)6 000溶液,
72  第 5期 徐  凯等:原生质体融合选育耐高温柠檬酸生产菌
混匀后于 35 ℃恒温水浴摇床上振荡 10 min,然后用
渗稳剂洗涤离心。 稀释适当倍数后涂布多个高渗平
板,在 35 ℃下培养 3~5 d,进行菌落计数,按式(2)计
算融合率。
融合率=平板 A上菌落数
×稀释倍数
平板 B上菌落数×稀释倍数
×100%
(2)
式中:A表示融合后涂布的高渗平板,B 表示灭活前
双亲等量混合后接种的高渗平板。
1􀆰 2􀆰 7  融合株的筛选
将融合后的菌株点种到选择培养基上,40 ℃下
培养 3 ~ 5 d,挑选变色圈较大的菌株进行摇瓶发酵
实验,然后从中挑选产酸较高的菌株。
1􀆰 2􀆰 8  融合株稳定性实验
将产酸较高的菌株进行多次传代培养,并分别
测其产酸量,以此来确定其是否具有遗传稳定性。
2  结果与讨论
2􀆰 1  黑曲霉双亲株的紫外灭活结果
通过对高渗平板上的菌落计数,按照式(1)计
算灭活率,得到黑曲霉双亲株的紫外灭活数据,结
果如图 1所示。
图 1  黑曲霉双亲株紫外灭活结果
Fig􀆰 1  UV⁃inactivated results of parent
Aspergillus niger strain
由图 1 可知:黑曲霉双亲株在 15 W 紫外灯下
10 cm 处振摇照射 6 min 后,灭活率都刚好到达
100%。 为了防止照射紫外时间过长引起黑曲霉原
生质体严重损伤,因此选择灭活率刚好达到 100%
为最佳条件。
2􀆰 2  PEG质量分数的选择
对原生质体融合有影响的因素有很多,但是 PEG
的质量分数是其中较为重要的一个。 如果 PEG浓度
太低,渗透压就较低,会导致原生质体破裂,而且也不
利于原生质体相互靠近而融合。 但是如果 PEG浓度
过高,又会引起原生质体的皱缩和中毒。 因此,考察
PEG质量分数对原生质体融合的影响,结果见图 2。
图 2  PEG质量分数对融合率的影响
Fig􀆰 2  Effect of PEG mass concentration on fusion rate
由图 2可知:当 PEG 质量分数小于 45%时,由
于渗透压较低,原生质体融合相对来说较为困难。
当 PEG 质量分数大于 45%时,由于溶液浓度过高,
对原生质体的损害开始出现,使得融合率开始下
降。 当 PEG质量分数为 45%时,原生质体的融合率
最高。 故选择 45%的 PEG对原生质体进行融合。
2􀆰 3  融合时间的选择
融合时间的长短对于原生质体融合同样非常
重要,因此,考察融合时间对融合率以及再生的影
响,结果见图 3。
图 3  融合时间对融合率的影响
Fig􀆰 3  Effect of fusion time on fusion rate
由图 3 可知:融合率随着融合时间的延长先增
大后减小,当融合时间为 10 min 时,融合率最高。
产生此现象的原因是如果融合时间过短,参与融合
的原生质体数量不多而且不稳定,然后用渗稳液洗
涤,又使得刚开始融合的原生质体被分开,从而导
致融合率偏低;如果融合时间过长,PEG 对原生质
体产生毒害作用,不利于原生质体的再生,从而降
低融合率。
82 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
2􀆰 4  融合温度的选择
考察融合温度对原生质体融合率的影响,结果
见图 4。
图 4  温度对融合率的影响
Fig􀆰 4  Effect of temperature on fusion rate
由图 4可知:随着融合温度的升高,融合率先升
高后下降,当融合温度为 35 ℃时,融合率最高。 这
可能是因为高温可以降低 PEG的黏度,增加细胞质
膜的流动性,从而有利于融合,使融合率上升。 但
是如果温度过高,则会对原生质体产生很大的损
伤,而不利于原生质体的融合,使融合率下降。
2􀆰 5  融合菌株的筛选
融合结束后,经过选择培养基初筛,摇瓶发酵复
筛,筛选产酸较高的菌株。 多次进行原生质体融合
后,总共筛选得到 5株产酸较高的菌株,其产酸能力
如表 1所示。
表 1  各菌株的总酸产量
Table 1  Total acid production of the strains
菌株 R304 R502 R811 R907 R909
ρ(总酸) / (g·L-1) 112􀆰 9 118􀆰 7 115􀆰 2 120􀆰 3 115􀆰 4
2􀆰 6  菌株遗传的稳定性
分别对筛选得到的 5株菌,传代 5次并分别测其
产酸量,以此考察菌株的遗传稳定性,结果如图 5
所示。
图 5  菌株遗传稳定性结果
Fig􀆰 5  Results of genetic stability of fusion strains
由图 5 可知:菌株 R502 和 R811 产酸能力稳
定,未发现有退化现象,具有较好的遗传稳定性。
其中 R502产酸较高,故选为目的菌株。
2􀆰 7  融合菌株与亲株的产酸性能和耗糖性能比较
考察融合菌株与亲株的产酸性能和耗糖性能,
结果如图 6所示。
图 6  融合菌株和亲株产酸与耗糖能力的比较
Fig􀆰 6  Comparison of acid production and sugar comsuptin
of fusion strain and parental stains
由图 6可知:3 株菌在产酸和耗糖方面具有一
致性。 即在发酵前 18 h,产酸和耗糖较少,此时菌体
处于分生孢子膨胀和萌发阶段。 发酵 24 h 左右菌
体进入对数期,耗糖快速增加,产酸量较少,主要原
因是此时糖主要用于菌体生长。 之后菌体进入稳
定期,产酸量和耗糖都大幅度增加,这一时期是柠
檬酸积累的主要时期。 在 72 h 左右,糖的浓度已经
较低,菌体生长较缓慢,柠檬酸的积累开始变少,这
时发酵基本接近终点。 在结束发酵时,三菌株总糖
和还原糖含量都基本相同,但是融合菌株 R502 在
总酸产量和耗糖速率上都优于亲株。 因此,融合株
R502产量较高,生产周期较短。
对于柠檬酸生产菌的选育,较为有名的是上海
92  第 5期 徐  凯等:原生质体融合选育耐高温柠檬酸生产菌
工业微生物研究所选育的黑曲霉 Co 827[12],该菌
株在 200 g / L初糖中 35 ℃发酵 4 d,产酸可高达 180
g / L。 而耐高温柠檬酸生产菌较为有名的为金其荣
等[13]以黑曲霉 H 142为出发菌株,采用 γ线、硫酸
二乙酯及高温热处理单独或复合诱变,筛选得到的
菌株 HQL 601,其可在 40 ℃发酵 60 h 产酸 130
g / L。 本文中,笔者筛选得到的菌株与以上两菌相
比,产酸水平还有一定的差距,但是生产周期比黑
曲霉 Co 827在 35 ℃时发酵的周期要短,因此也具
有一定的实际意义。
3  结论
通过实验确定了黑曲霉双亲株紫外灭活的最
佳时间和融合的最优条件,即:紫外照射 6 min,PEG
质量分数为 45%,在 35 ℃下融合 10 min。 在此条件
下,筛选得到了稳定遗传的融合株 R502,在 40 ℃培
养 72 h就可产酸 118􀆰 7 g / L,总酸产量和生产速率
都优于亲株。 在诱变过程中,诱变株 Y 711 通过
各种诱变方法已经很难再大幅提高产量,但是通过
此实验,其产量再次大幅提高,从而打破了长期诱
变的积累效应,对实际生产有一定的指导、应用
价值。
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(责任编辑  荀志金)
03 生  物  加  工  过  程    第 13卷