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Analysis of cellulose-degrading microbiome of Macrotermes barneyi hindgut

黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落的分析



全 文 :第 12卷第 1期
2014年 1月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 12 No􀆰 1
Jan􀆰 2014
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2014􀆰 01􀆰 003
收稿日期:2013-10-15
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划) (2011CB707402);国家自然科学基金(31272370)
作者简介:员   超(1988—),男,山东泰安人,硕士研究生,研究方向:白蚁共生体系与木质纤维素降解;倪金凤(联系人),教授,E⁃mail:
jinfgni@ sdu􀆰 edu􀆰 cn
黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落的分析
员  超,张  宁,倪金凤
(山东大学 微生物技术国家重点实验室,济南 250100)
摘  要:黄翅大白蚁(Macrotermes barneyi)具有高效降解木质纤维素的能力,其后肠内存在着丰富的共生微生物。
采用活性电泳和变形梯度凝胶电泳的方法对黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落进行分析。 活性电泳实验证实
了此微生物群落纤维素酶的存在(内切葡聚糖酶、β 葡萄糖苷酶和木聚糖酶),变形梯度凝胶电泳实验鉴定出微生
物组的群落结构,即 7种细菌和 3种真菌。 本研究初步阐明了黄翅大白蚁后肠内与滤纸降解相关的微生物种类,
为进一步了解黄翅大白蚁纤维素的降解机制以及生物质资源的高效利用提供了理论基础。
关键词:黄翅大白蚁;微生物群落;木质纤维素;变性梯度凝胶电泳
中图分类号:Q939        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2014)01-0013-05
Analysis of cellulose⁃degrading microbiome of Macrotermes barneyi hindgut
YUN Chao,ZHANG Ning,NI Jinfeng
(State Key Laboratory of Microbial Technology,Shandong University,Jinan 250100,China)
Abstract:Macrotermes barneyi hindgut harbored large quantity of microbes􀆰 The native⁃page method and
the denatured gradient gel electrophoresis were used to analyze the filter paper⁃degrading microbiome of
M􀆰 barneyi hindgut􀆰 EG, BG and xyl were verified by the native⁃page method􀆰 Microbial community
structure was identified by the denatured gradient gel electrophoresis􀆰 The microbial species,including 7
bacterial and 3 fungi,associated with filter paper degradation in the hindgut of M􀆰 barneyi were illustrated􀆰
The understanding of cellulose degradation mechanisms was facilitated and some theoretical basis for
efficient biomass transformation was provided􀆰
Key words: Macrotermes barneyi; microbial community; lignocellulose; denatured gradient
gel electrophoresis
    木质纤维素是地球上储量最为丰富的可再生
资源,为生物能源的利用提供了材料[1-3]。 按照白
蚁肠道后肠有无原生动物将其分为低等白蚁和高
等白蚁[4]。 黄翅大白蚁是一种高等培菌白蚁,其后
肠中含有大量微生物,包括细菌、真菌及古菌,这些
共生微生物与宿主白蚁组成高度进化的共生体系,
可在木质纤维素降解中共同发挥作用[5]。 对白蚁
肠代谢环境及从中分离的微生物方面的研究表明,
肠道共生微生物能为白蚁提供消化酶以及排毒酶
类,并可在氮循环方面起重要作用[6],同时保护宿
主白蚁免受病原体的侵入[7]。
对低等白蚁的研究已经证实:肠道中微生物具
有极高的多样性[3,8],而且存在大量未培养微生
物[9]。 高等白蚁肠道微生物多样性的研究较为有
限,并且高等白蚁如何利用肠道微生物协助木质纤
维素的降解依然不清楚。 为更好地了解高等白蚁
肠道微生物组在木质纤维素降解过程中所发挥的
作用,笔者以黄翅大白蚁为材料,通过对后肠微生
物的条件培养,了解肠道微生物组在纤维素降解中
参与木质纤维素降解作用的可能性,同时利用变性
梯度凝胶电泳方法对此环境中的微生物群落进行
分析,鉴定此环境的微生物群落结构,进一步了解
黄翅大白蚁纤维素的降解机制,以期为生物质能源
的开发利用提供理论基础。
1  材料与方法
1􀆰 1  实验材料
1􀆰 1􀆰 1  菌株与质粒
在超净台无菌条件下将 50只黄翅大白蚁工蚁解
剖获得后肠,用研磨棒研磨作为后肠微生物组材料;
所用感受态为自制大肠杆菌感受态 E􀆰 coli DH5α;测
序载体为质粒 pMD18T vector,Takara公司。
1􀆰 1􀆰 2  培养基
基础(basic media,BM)培养基参照文献[10]。
BM+羧甲基纤维素钠(CMC)培养基:在 BM 培
养基的基础上,加入 0􀆰 5% CMC。
BM Ac(acetate) +filter paper(BF)培养基:在
无 NaAc 的 BM 培养基中加入 4 条 1 cm × 5 cm
Whatman No􀆰 3 滤纸(GE公司)。
1􀆰 1􀆰 3  主要器材
恒温水浴摇床(哈尔滨东联电子科技有限公
司);台式离心机(Eppendorf 公司);PCR 仪、变性梯
度凝胶电泳仪(美国 Bio⁃Rad公司);电泳仪(北京六
一仪器厂)。
1􀆰 2  实验方法
1􀆰 2􀆰 1  培养过程
首先将黄翅大白蚁后肠微生物材料以 1%接种
到 5 mL BM+CMC的培养基中,30 ℃富集培养 1 d,
之后以 1%的接种量转接至 BF培养基中,每天记录
滤纸降解情况。
1􀆰 2􀆰 2  酶活性电泳
提取此滤纸降解环境的总蛋白,并进行如下的
活性电泳实验:①内切葡聚糖酶活性电泳。 配制
12% SDS PAGE 蛋白胶,在分离胶中添加 0􀆰 1%
CMC,提取的蛋白试样不煮沸,直接上样。 按照“先
20 mA、30 min,后 30 mA、50 min”的条件进行电泳,
电泳结束后,用于内切葡聚糖酶(EG)分析的分离胶
先在 10 mmol / L、pH 5􀆰 5 醋酸钠缓冲液(SAB)中浸
泡 30 min,然后 0􀆰 1%刚果红染色 30 min,1 mol / L
NaCl脱色 30 min,有 EG 酶活性的位置将出现 1 条
清晰透明条带。 ②β 葡萄糖苷酶活性电泳。 提取
的蛋白试样在上样前不要煮沸,然后在 12%
SDS PAGE中电泳,电泳缓冲液为三羟甲基氨基甲
烷 甘氨酸,按照同上条件进行电泳。 电泳结束后,
用于 β 葡糖苷酶(BG)活性分析的分离胶在室温下
先用 0􀆰 1 mol / L SAB 缓冲液预处理 30 min,再浸没
在 3 mmol / L 4 甲基伞形基 β D 吡喃葡糖苷
(MUG)中 20~30 min,最后在紫外线下检测 BG 酶
所在位置的荧光信号。 ③木聚糖酶活性电泳。 配
制蛋白胶时,在分离胶中添加 0􀆰 1% 山毛榉木聚糖,
提取的蛋白试样在上样前不要煮沸,然后在 12%
SDS PAGE中电泳。 电泳结束后,用于木聚糖酶分
析的分离胶在 25%异丙醇磷酸盐溶液洗涤 40 min,
再用磷酸盐溶液洗涤 3次,每次 15 min,接着在磷酸
盐溶液中 37 ℃反应 90 min,然后用 0􀆰 5%刚果红溶
液染色 20 min,最后用 1 mol / L NaCl溶液脱色。
1􀆰 2􀆰 3  总基因组的提取
采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)方法提取
群落总基因组。 ①离心后向沉淀中加液氮研磨成
粉末状,迅速移入 1􀆰 5 mL Eppendorf 管中;②加入
800 μL的 CTAB 提取缓冲液,混匀(CTAB 在 65 ℃
水浴预热),每 5 min 轻轻振荡几次, 20 min 后
12 000 r / min离心 15 min;③小心吸取上清液,加入
等体积的酚和氯仿溶液各 400 μL,混匀, 4 ℃、
12 000 r / min离心 10 min;④小心吸取上清液,加入
等体积的氯仿,混匀,4 ℃、12 000 r / min 离心 10
min。 重复步骤④1 ~ 2 次,以蛋白层不出现为止。
取上清,-20 ℃沉淀 1 h,4 ℃、12 000 r / min 离心 10
min;弃去上清液,用 70%乙醇洗涤沉淀 2次;室温下
干燥 5~ 15 min 后,溶于 30 ~ 50 μL 焦碳酸二乙酯
(DEPC)去离子水中,于-20 ℃或者-70 ℃下保存
备用。
1􀆰 2􀆰 4  变性梯度凝胶电泳(DGGE)
利用提取的全基因组进行 PCR扩增,分析细菌
多样性用的引物:341f⁃GC:5′ CGCCCGCCGCGCG⁃
CGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTAC⁃
GGGAGGCAGCAG 3′;518r:5′ ATTACCGCGGC⁃
TGCTGG 3′。 扩增真菌用的引物:GC Fung:5′
CGCCCGCCGCGCCCCGCGCCCGGCCCGCCGCCC⁃
CCGCCCCATTCCCCGTTACCCGTTG 3′;NS1:5′
41 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
GTAGTCATATGCTTGTCTC 3′。 PCR 程序如下:
95 ℃ 5 min;接着进行 20个循环(94 ℃ 30 s,65~55
℃ 30 s),每循环降 0􀆰 5 ℃,72 ℃ 1 min;然后 15 个
循环(94 ℃ 30 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min);最后 72
℃ 5 min。 扩增后,进行 DGGE 实验。 细菌多样性
实验参数如下:丙烯酰胺质量分数 8%,变性剂质量
分数 40%~60%,45 V电压下电泳 17 h;真菌多样性
实验参数如下:丙烯酰胺质量分数 6%,变性剂质量
分数 20%~40%,70 V 电压下电泳 13 h。 电泳结束
后,切除条带,将 DNA 片段从凝胶中溶出,以去除
GC clamp的引物再次进行 PCR,对扩增片段纯化
后,连接 pMD18T vector,进行测序及比对分析。
2  结果与讨论
2􀆰 1  黄翅大白蚁后肠微生物群落对滤纸的降解作用
解剖获得的黄翅大白蚁微生物经过富集培养
后,转入以滤纸为唯一 C源的 BF培养基中,30 ℃培
养,开始时滤纸完好,随着培养天数的增加,滤纸逐
渐分解成碎片,培养液开始变浑浊,至 7 d 后,可以
明显观察到微生物对 Whatman No􀆰 3 的降解状况,
如图 1所示。 由图 1可见:与对照组相比,实验组溶
液呈现明显浑浊,培养基中充满了丝絮状的纤维,
培养基中的滤纸被降解成小块;而对照组溶液清晰
透明,滤纸条带形状完整。
图 1  黄翅大白蚁后肠微生物对Whatman No􀆰 3
滤纸的降解
Fig􀆰 1  Digestion of Whatman No􀆰 3 filter paper
by microbiome of M􀆰 barneyi
Warnecke等[11]利用高通量测序的方法对白蚁属
后肠 P3区进行研究,发现含有高多样性的微生物群
落,并且检测到来自于 45 个糖苷水解酶家族(cazy
family,carbohydrate⁃active enzymes)的糖苷水解酶催
化域,表明其后肠微生物可能参与纤维素的降解。 通
过利用基本盐培养基对黄翅大白蚁后肠微生物的培
养,使得微生物组得以利用唯一 C 源滤纸而生长起
来,进一步证实了后肠微生物组在协助宿主白蚁降解
结晶纤维素方面可能起到一定的协助作用。
2􀆰 2  微生物群落的酶谱分析
为了解微生物在白蚁木质纤维素降解方面起
的作用,已有研究者利用分子生物学方法,发现了
白蚁肠道中细菌来源的木质纤维素水解酶[12-14]。
但白蚁后肠微生物在降解纤维素不同底物方面,尚
缺乏直接证据。 为此,通过黄翅大白蚁微生物群落
对滤纸的降解培养,利用酶谱分析的方法,检测环
境中纤维素降解酶的存在情况。 提取此环境的总
蛋白,经过一定程度的浓缩后,进行酶谱分析,结果
如图 2所示。
从图 2(a)可见,此环境中检测到了 2 条相对分
子质量较大的具有内切葡聚糖酶活性的条带(箭头
标出)。 为了更好地了解黄翅大白蚁肠道中微生物
对纤维素的降解作用,培养基中只含有基本盐类,
滤纸是唯一 C 源,营养较为贫瘠,所以微生物群落
的浓度相对比较低,酶谱分析检测到的信号不是很
强。 同时检测到了相对分子质量大小在 4􀆰 5×103左
右的 β 葡萄糖酶活性条带,且条带较为清晰。 木聚
糖酶活性条带较为清晰,对木聚糖酶的酶谱分析显
示了木聚糖酶的存在。 白蚁降解半纤维素需要半
纤维素酶类,但目前为止还没有白蚁自身来源的半
纤维素酶的报道[15]。 由此可知,白蚁肠道微生物在
半纤维素降解方面可能起到重要作用。 黄翅大白
蚁后肠微生物具有独立降解纤维素的能力,酶谱分
析实验证实了此群落具有纤维素降解功能的内切
葡聚糖酶、β 葡萄糖苷酶和木聚糖酶的存在。
2􀆰 3  黄翅大白蚁后肠滤纸降解微生物群落结构的
鉴定
    通过限定条件培养和酶谱分析的实验已经证
实:黄翅大白蚁后肠微生物组能够在营养匮乏的环
境中对滤纸行使降解作用,为了进一步探究此纤维
素降解环境中发挥作用的微生物种类,接下来利用
DGGE 的方法对微生物的群落结构进行鉴定,结果
如图 3所示。
由图 3 可知:此环境中含有 7 种细菌 (图 3
(a)),3种真菌(图 3(b));从数量上看,细菌的数
51  第 1期 员  超等:黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落的分析
M—标准蛋白;Full—全蛋白提取液
图 2  黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物的全蛋白和酶活性电泳
Fig􀆰 2  Activity electrophoresis of filter paper⁃hydrolyzing microbiome of M􀆰 barneyi hindgut
C—对照;1~7—扩增出的微生物种类
图 3  黄翅大白蚁后肠纤维素降解微生物群落结构的鉴定
Fig􀆰 3  DGGE profiles of 16S rRNA and
18S rRNA gene amplified from filter
paper digestion community of M􀆰 barneyi
量远大于真菌数量,暗示细菌在滤纸降解中发挥了
重要作用。 为鉴定菌种,DGGE 胶上的条带被切割
下,DNA从胶内溶出,再次进行 PCR,产物经纯化后
连接 T 载体,并测序。 得到的序列信息在 NCBI 网
站上进行比对,以确定此环境中微生物的种类。 7
种细菌种类如下: 1 ~ 7 分别来自于芽胞杆菌属
(Bacillus)、微杆菌属(Microbacterium)、变形杆菌属
(Proteobacterium)、变形杆菌属(Proteobacterium )、微
杆 菌 属 ( Microbacterium )、 无 色 杆 菌 属
(Achromobacter)和微杆菌属(Microbacterium)。 Baird
等 [16]研究发现,Bacillus 具有纤维素降解所需的
内切葡聚糖酶 [16] 。 Bacillus 属微生物在白蚁中具
有较高多样性,并在白蚁木质纤维素降解的初级
阶段中发挥作用,同时某些芽胞杆菌具有降解芳
香化合物的能力 [17-18] 。 来源于变形菌属的微生
物对昆虫消化道内碳循环有重要作用。 在海洋
蛀木虫肠道内,来源于变形杆菌属的微生物
Teredinibacter turnerae 基因组中含有 101 个糖苷
水解酶家族 ( GHs)和 117 个碳水化合物结合结
构域(CBMs) [19] ,表明其在纤维素降解方面与昆
虫的协同作用。 此外在微杆菌属中,也有葡萄糖
苷酶的报道 [20] 。 对 3 种真菌进行鉴定,1 ~ 3 分
别来 自 白 地 霉 属 ( Galactomyces ) 、 糞 壳 菌 属
( Sordariomycetidae)和白地霉属 ( Galactomyces) 。
Baffi 等 [21]对橄榄生态系统进行研究,发现了来
自白地霉的真菌,并对该真菌进行酶活性分析,
表明具有 β 葡萄糖苷酶、聚半乳糖醛酸酶以及
脂酶活性;同时在咖啡残渣的具有纤维素降解能
力的微生物中也发现了来源于白地霉属的真
菌 [22] 。 因此,通过酶谱分析检测到的纤维素降
解酶类可能由上述微生物提供,并协助黄翅大白
蚁完成木质纤维素的降解过程,但尚不能确定具
体由哪种微生物提供了纤维素降解酶。 本研究
通过黄翅大白蚁后肠滤纸降解微生物的群落结
构鉴定,初步确定了在此环境中起纤维素降解作
用的微生物种类,但这些微生物是如何行使降解
功能的,以及不同微生物之间的相互关系如何,
仍需要进一步研究。
3  结  论
初步研究了黄翅大白蚁后肠降解滤纸的微生物
群落,对此微生物群落进行酶谱分析,直观地证明了
此环境中纤维素及半纤维素降解酶的存在。 利用变
性梯度凝胶电泳的方法对环境微生物群落结构进行
鉴定,确定了此环境中起作用的主要微生物组成。
61 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
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(责任编辑  管珺)
71  第 1期 员  超等:黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落的分析