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离子束注入黑曲霉选育单宁酶高产菌株及其发酵工艺研究

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离子束注入黑曲霉选育单宁酶高产菌株及其发酵工艺研究刘会郑之明贡国鸿聂光军中国科学院离子束生物工程学重点实俭室摘要:为获得单宁酶高产菌株,利用低能盯注入技术对黑曲霉原始菌株TA9701进行诱变选育。在最佳辐照能量与剂量条件下,经过多轮注入,最终筛选到一株高产菌株J—T18。通过对底物浓度,接种量,通气量及发酵温度等发酵条件进行优化,突变株的单宁酶产量达到了38.5U/mL,较原始菌株提高了近四倍,且遗传性能稳定。同时研究了金属离子和表面活性剂对突变株产酶的影响,结果表明Mn2+与Sn2+对菌株产酶有促进作用。关键词;离子注入单宁酶黑曲霉选育发酵优化低能离子注入的生物学效应发现于上世纪八十年代中期,作为一门新兴的边缘学科,目前已在植物、微生物诱变育种“’2’及植物基因转移D1等方面取得广泛应用。离子注入生物体集能量沉积、动量传递、质量沉积及电荷交换等效应“^61,同时还具有高的LET(传能线密度)值、集束性好、射程可控、能量沉积和质量沉积区域可控等特点订一’91,可以在损伤较轻的情况下,获得更高的突变率和更宽的突变谱。近年来,将离子束用于工业微生物的诱变育种工作,已经取得了可喜的成果。单宁酶(EC.3.1.1.20)是一种以单宁酸作为诱导物的诱导酶,广泛存在于各种微生物中。它可以水解单宁或没食子酸酯中的酯键与缩酚酸键,生成没食子酸及其他化合物‘1¨。单宁酶在很多行业都有很重要的用途,主要用于饮料、精细化工、皮革、饲料、化妆品n0’儿1等方面。另外,在医药工业,特别是在生产没食子酸衍生物甲氧苄氨嘧啶中也具有很重要的用途。1.材料与方法1.1菌种黑曲霉(Aspergillus1.2培养基nigerTA9701),本研究室保存。菌种保存培养基:PDA培养基平板培养基(gL。1):察氏培养基改良而得。琼脂15.0,NaN033.0,KH2P04摇瓶发酵培养基(gL。):籼米粉50.0,(NH4)2S04CaC031.0,MgS040.3,FeS04・7H20,微量。单宁酸过滤除菌后加入,终浓度为2%(w/v)10.0,MgS040.3,KH2P043.0,5.0。单宁酸过滤除菌后加入,终浓度为2%(w/v)[12】.S2.1.3培养工艺将孢子接种于PDA斜面上,30oC培养3-4天。取10mL无菌水将斜面上的黑曲霉孢子彻底洗脱,并充分混匀使之成孢子悬液。取2mL孢子悬液(约107孢子)接于含50mL发酵培养基的250mL锥形瓶中,于301.4离子注入诱变选育方法oC,180转/分培养80h。离子注入机:由中科院离子束生物工程重点实验室自行研制[13】。诱变处理:用10ml的无菌水将斜面上的孢子洗下,倒入盛有玻璃珠的三角瓶中,振荡摇匀以便分开所有的孢子。取0.1ml的孢子悬液均匀涂布于平皿内,无菌风吹干后于注入机靶室内进行脉冲式矿注入【14】。将处理后的样品每个平皿加入lml的无菌水洗下孢子,稀释并涂入已经准备好的平板培养基中,每个平板中加入0.1ml孢子悬液,用玻璃涂棒涂匀。接种后的所有平板于30℃倒置培养3.4天。挑选单菌落转接斜面培养,然后接入摇瓶培养基,筛选高产菌株。1.5分析方法存活率的计算:在每一个注入剂量下同时设置真空对照,对照样品同时放入靶室但不接受离子注入,其余操作与注入平皿相同。培养3天后对单菌落进行计数并计算出注入板上的菌落数和真空对照板上的菌落数之比,即为存活率。菌株突变率的计算方法是:分别在每个注入剂量下随机挑选20株单菌落,接摇瓶发酵3天后,测酶活,以高出原始菌株酶活的5%以上者为正突变菌株,以低出原始菌株酶活的5%以上者为负突变菌株,计算两种突变类型在所挑选的20株注入菌中所占的比例分别作为正突变率和负突变率。酶活测定方法:发酵液用滤纸过滤,所得滤液即为粗酶液。酶活测定参照Iibuchi[15]的方法。将单宁酸溶解于O.05M、pH5.6的柠檬酸缓冲液中,配置成浓度为0.35%的样品,取样品4份,加入1份酶液,30℃反应一定时间,沸水浴灭活。取反应液0.1份加入10份95%乙醇,310nm比色。根据以下公式计算单宁酶的活性:U=114xOD3lo/t其中:OD3lo为310nm处的光密度,t为反应时间。一个酶活力单位的定义为:一分钟内能降解lJ-tmol的单宁酸中酯键的酶量。2.结果与讨论2.1注入离子能量与剂量的选择离子注入后菌株的存活率,突变率与筛选效率跟离子的能量跟剂量有很大关系。现代育种理论证明,诱变的微生物致死率在70.80%左右时,正突变率往往很高[16】。也就是说当存活率在20%.30%范围时,能得到较高正突变率的菌株。100邑oho’薹o,o童皂S∞3詈051015of20筠30EnergyN+Implantation(key)Fig.1InfluenceofenergyonsurvivalrateofTA9701atthedoseof40x(2.6×1013、ions/cm2从图中可以看出,随着注入能量的增大存活率也相应降低。当能量较低时,存活率下降较缓。当能量超过5keV的时候存活率降低的犹为迅速。然而当能量超过10keV时存活率下降又比较缓慢,并且在lOkeV时,存活率为20%.30%,根据文献中的论证,我们以10keV作为最佳注入能量。∞∞∞∞∞o020∞∞8011)0DoseofN+implantation(x2.6x1013ions/cm2)Fig.2EffectofN+implantationdoseatonsurvivalrateofTA9701theoptimumenergyof10keV从Fig.2可以看出,在0--一100x2.6×1013ions/cm2剂量范围内菌株存活率与剂量之间的关系并不遵循指数定律(对数线性模型),而是呈马鞍型分布。在较低剂量范围内(0--一20x2.6x1013ions/cm2)存活率随着剂量的增加而下降很快,在30x2.6×1013--一40x2.6x1013ions/cm2的小剂量范围内存活率有上升的趋势,而在之后的剂量范围中,存活率又持续降低。典型的马鞍型曲线可用来解释低能量注入时的异常辐射损伤,很大可能与低剂量时的能量和动量沉积作用和高剂量时的电荷刺激效应相关。侣俘¨让位8642O10-2030-,105045070-8090-100DoseOfN+implantation(x2.6x10’3ionian2)Fig.3RelationshipbetweenⅣimplantationdoseandmutationrateofTA9701如图所示,在剂量30x2.6x1013ions/cm2"-一60×2.6x1013ions/cm2的范围内,菌株的正突变率比负突变率高,而在其余剂量负突变率均高于正突变率。综合考虑Fig.2、Fig.3所示的存活率和突变率,我们选定30x2.6x1013ions/cm2为最佳辐照剂量。2.2离子注入对菌株活性的提高ions/cm2"-60x2.6x1013经过9次连续离子注入,最终筛选到A.nigerJ-T18菌株,该菌株的酶活力为38.5U/ml,较原始出发菌Asp.nigerTA9701(酶活力约为8U/m1)提高了将近四倍(Fig.4)。∞筠∞筠∞佰上山协5o0'2345678910TimesofionsimplantationFig.4Relationshipbetweenionimplantationtimesandtheenzymeactivity2.3突变株J-T18遗传稳定性研究为考察突变株遗传稳定性,进行连续五代培养,观察其产酶情况,从测定结果来看,J-T18具有较好的遗传稳定性,其酶活大体维持在38.2U/mL以上(Fig.5)。∞筠∞签∞幅竹5o234GenerafionsFig.5ThegeneticstabilityofmutantstrainJ-T182.4AspergillusnigerJ-T18的发酵时间曲线特性F№.6c㈨ofthefemlentationoftannaseproducingstrainJ-T】8从图中可以看出,J-T18菌株的菌丝体质量随着发酵时间的增加而增加,在72h达到最高点。J-T18单宁酶活力在80h时达到最高点。总体来说单宁酶的产酶的曲线和菌丝体生长曲线在时间上是同步的。在发酵过程中pH值随着发酵时间的增加而逐渐降低,这主要是由于菌株逐渐利用了底物单宁酸而分解为没食子酸的缘故。但是由丁培养基中加入了CaC03中和了酸性的降低,所以pH值的变化趋势相对比较稳定。2.5申宁酸浓度对中宁酶产量的影响为研究小嘲底物浓度刘产酶的影响,配制甲宁酸浓度分别为O20%,25%,35%,1O%,15%,O%的培养基,振荡培养3天后检测单宁酶的活力情况。由图7可以看出,单宁酸的含量在20%时为最佳值,超过20%,随着单宁酸含量的增加单宁酶菌株的产酶活性反而降低。单宁酶为诱导酶,过量反而会抑制卣株的生长,导致单宁酶产量的下降。产物口卧i物都是酸性的,可能预示该菌株在低pH值时对底物有定的耐受|生。虬,,∥ijFig.8Effectoffe肿entationmedium’svolumeont卸nas。production过少的装液量会使茼体的密度过高过甲的吸收和利用完发酵液中的活性物质.最终导致菌体产单宁酶的量下降。而过多的发酵液会导敛瓶中通氧的小足,影响到菌件对氧的利用,也会导致单宁酶发酵水、f的下降。实验结果表明50ral为装液的最佳量。咀此为基础,进一步考察r摇床转速对J-l18发酵产酶的影响。用转速分别为120、140、】60、180、200、220、240rpm的摇床振荡培养单宁酶产生菌,80h后测定其酶的活力情况(Fig9)∞*#*Ⅲ∞∞4L一一Fig.9EffectofrotatespeedOnlan…production从上图中可毗看出,在180rpm的转速时,酶活力最大。IJ见通气量对J—T18菌株的影响还是比较显著的,我们选定装液量50ml,摇床转述180rpm作为它的堆适通气条件。27接种量对单宁酶产量的影响片j】Oral的无茼水将斜而r的孢子洗下,倒入盛有玻璃珠的二角瓶巾,振荡分散成为孢子悬液,其浓度约为25×107个孢子/ml。分别接种lml、2ml、3ml、4ml于50ml发酵培养基中,振荡培养80h后测定其晦的活力情况(Fig10)。一般而言,接种量是影响菌株发酵周期的重婪因素.接种量越大,延滞期越短,反之越长。但是接利-量太大,则用于生长繁殖的营养成分消耗太多,产物的积累也可能会下降。通过实验发现,接种量为1ml时的菌株活力明显没有2rnl高.但接种量为2ml~4ml时酶活力的影响相应改蹙并不大,所以为了节约葡种资源,选择2ml(即5x10个孢子)为最佳接种量。7,嚣疋;。姻同俐M幽网∽㈤幽冈㈥俐幽Fig10Effectofinoculumsizeontallnascpmduclion28发酵温度对单宁酶产量的影响温度主要通过影响微生物细胞膜的流动性和生物太分予的活性来影响微生物的生命活动。方而随着温度的列高,细胞内的酶反应速度加快,代谢和生长也相应加快;另一方面,随着温度进一步增高,生物活性物质(如蛋白质、核酸等)发生变化,细胞功能下降,甚争死亡。所以每种微生物都有个最适生长温度范围,为丫研究培养温度对黑曲霉J—T18产单宁酶的影响,选取28℃、30℃、32℃、34℃四个小同的发酵温度对J—T18进行发酵实验,80h后测定其酶活力的高低。结果表明,温度对菌株活性的影响比较大,在30,一32"C时,菌株产单宁酶活性比较强,超过32℃酶活力迅速下降fFig11)。Fig.11Effectoifennentatientemperamreontantlaseproductien2.9小同的金属离了和表面活陛剂对单宁酶产量的影响在培养基中分别加入01%的金属离了C。。,O1%的表向活性剂:Triton、EDTAFe}、Fe卜、Mn斗、Cu2_、Znl_、Sn}、xylene、SDS,培养80h厉测定菌株单宁酶活性的高低。∞∞∞{∞∞∞o]同||㈠¨{|{||||ljLIU,:i上,I上__U训塑巨团..K|罔网b|囫图幽同con∞……e…n}…znnsnnc02+rr]DiHereNI10nsFig12Ef/}ctsofdifferenlionsonon.'meacivil,~50一J0l三3。:}2。ii10Fig13Effectsofdiflerentdetergents。neilzymeactivJt)由以J:两图可以看出,金属禺予Mn2。、Sn2+和表面活一M!卉lJxv】ene对苗株产酶的活|生有较强的促进作用。而SDS对菌株的产酶活性也宵一芷帕促进作川,但是没有Mn。、Sn一、xylene强。其他离亍对苗株的产酶均有抑制作几]。3.结论低能离子束注入技术,作为一种创新的诱变方法,以其较高的突变率及较宽的突变谱等优点,在育种工作中正发挥越来越重要的作用。本研究以黑曲霉TA9701(AspergillusnigerTA9701)为出发菌株,研究了圹注入能量和剂量与存活率及突变率之间的关系,根据马鞍型存活曲线,得出了最佳诱变条件为:10keV,30x2.6×10玎"--'60×2.6x1013ions/cm2,在此条件下对菌株进行了多次低能N+注入,经过初筛和复筛,最终获得了高产菌株J.18。随后对菌种的发酵条件进行了优化,通过对碳源,氮源,底物浓度,接种量,发酵时间温度以及通气量等因素的研究,最终确定了诱变后高产菌株的摇瓶发酵最佳条件:籼米粉5%、(NH4)25041%、单宁酸2.O%、MgS040.03%、KH2P040.3%、CaC03O.5%,最佳发酵时间为80h,摇床转速180rpm,培养温度30*(2,接种量2ml,装液量50ml/250ml,此时最高酶活为38.5U/ml,较原始菌株提高了近4倍,并且在五代以内产酶稳定。金属离子Mnz+、Sn2+与表面活性剂xylene和SDS对菌株产酶的活性有较强的促进作用。迄今为止,有关产单宁酶真菌菌株的改良还鲜有报道。而细菌中关于提高单宁酶产量的报道也主要是在地衣芽孢杆菌中。本研究是少数几个首先采用离子束注入诱变真菌的报道。突交后的改良菌株不仅可以稳定的产生高活力的单宁酶,而且具有较高的生物转化效率。因此,利用与开发突变株J.T18将为大规模生产单宁酶及其它精细化工产品生产打下坚实基础,具有重要的产业化前景。参考文献1.Yuan,C.L.,WangJ.,々_眦S.GongGH,YaoJ.M.,YuZ.L.(2002)ProductionofArachidonicAcidbyMortierellaalpina149一N18.FoodTechn01.Biotectmol,40:311・3152.YuL.,YuZ.L.(2002)Theapplicationofthenewtechnologyinimprovingof2一keto—L。gluonicacidstrains.HighTechnologyLetters,12(11):41-463.WangH.B.,GaoX.W.,GuoJ.H.,HuangQ.C.,YuZ.L.(2002)GeneticTransformationofWatermelonwithPumpkinDNAbyLowEnergyIonBeam—mediatedIntroduction.PlasmaScience&Technology,4:t591-15964.余增亮,离子束生物技术引论,合JJE:安徽科技出版社,1998Z.L。(2000)Ionbeamapplicationingeneticmodification。IEEETransactiononPlasmaScience28:128—132徽农业科学,1989,28:12—16L.F..YuZ.L.(2001)Radiobiologicaleffectsofalow—energyionbeamonwhem.Radiat5.Yu6.余增亮,何建军,邓建国,王学栋。吴跃进.刘贵付.离子注入水稻诱变育种机理初探.安7.WuEnvironBiophys,40:53-578.WuL.J.,Rander-PehrsonQ,XuA.,YuZ.L.(1999)Targetedcytoplasmicirradiationwithalphaparticlesinducesmutationsinmammaliancells.Proc.Natl.Acad.Sci,96:4959—49649.YuZ.L.,DengJ.G.,HeJ.J.(1991)Mutationbreedingbyionimplantation.NuclearInstrumentsandmethodsinphysicsresearch,B59/60:705—70810.Belmares,R.,Contreras—Esquivel,J.C.,Rodriguez-Herrera,R.,Ramirez-Coronel,A.,Aguilar,C.N.(2004)Microbialproductionoftannase:allenzymewithpotentialuseinfoodindustry.Lebensmit.Wiss.und—Techn01.,37(8):857-86411.Coggon,P.,Graham,N.H.,&Sanderson,GW.(1975).UKPatent1,380,13512.Aguilar,C.N.,Augur,C.,Favela・Tortes,E.,Viniegra-GonzAlez,G.(2001)ProductionoftannasebyAspergillusnigerAa-20insubmergedandsolid—statefermentation:influenceofglucoseandtannicacid.J.Ind.Microbi01.Biotechnol。26(5):296-302a1.P.R.C.Patent(2000)ZL93103361.613.YuZ.L..et14.宋道军,姚建铭,邵春林,余增亮.离子注入微生物产生“马鞍型”存活曲线的可能作用机制.核技术,199922:129-13215.LibuchiS.,MinodaY,andYamadaK.(1967)Anewmethoddeterminingtheenzymeactivityusingthechangeofuitravioletabsorption.Agr.Bi01.Chem..3l:513-518.16.诸葛健,王正祥.工业微生物实验技术手册.中国轻工业出版社,1992.63.离子束注入黑曲霉选育单宁酶高产菌株及其发酵工艺研究

作者:作者单位:

刘会, 郑之明, 贡国鸿, 聂光军

中国科学院离子束生物工程学重点实验室

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