四川海螺沟冰川土样芽胞杆菌资源分析

日期:2019.12.16 阅读数:48

【类型】期刊

【作者】刘琴英,刘国红,王阶平,车建美,陈倩倩,刘波(福建师范大学生命科学学院;福建省农业科学院农业生物资源研究所)

【作者单位】福建师范大学生命科学学院;福建省农业科学院农业生物资源研究所

【刊名】微生物学通报

【关键词】 芽胞杆菌;冰川;分离;鉴定

【资助项】国家自然科学基金(31370059);福建省自然科学基金(2016J01129);福建省农业科学院PI项目(2016PI-43);福建省农业科学院青年英才计划(YC2015-17)...

【ISSN号】0253-2654

【页码】P1237-1249

【年份】2019

【期号】第6期

【期刊卷】1;|7;|8;|4;|2

【摘要】【背景】芽胞杆菌(Bacillus-like)是一类能形成具有强抗性芽胞且可在多种极端环境下存活的细菌,其产生的多种功能代谢产物在多种领域具有重要研究价值。由于冰川低温、寡营养的独特生态环境,其存在的芽胞杆菌可能具有特殊性,因此研究冰川芽胞杆菌有利于发掘新基因、丰富芽胞杆菌多样性。【目的】了解四川海螺沟冰川土壤芽胞杆菌资源,为挖掘芽胞杆菌新资源提供基础。【方法】采用纯培养法分离获得冰川土壤芽胞杆菌资源,利用16S r RNA基因进行系统发育分析,测定代表性菌株的生理生化特性并采用类平均法和欧氏距离模型进行聚类分析。【结果】共筛选到可培养细菌44株,经16S r RNA基因鉴定确定其中36株为芽胞杆菌,隶属于4个属的19个种,分别为芽胞杆菌属(Bacillus)11个种24株、类芽胞杆菌属(Paenibacillus)2个种3株、短芽胞杆菌属(Brevibacillus)4个种5株和赖氨酸芽胞杆菌属(Lysinibacillus)2个种4株,其中以芽胞杆菌属(Bacillus)为优势属。分离菌中仅3株芽胞杆菌可在4°C生存,7株能在50°C生长,大部分菌株在30°C下生长良好;有74%菌株能耐碱,有37%菌株能在无盐条件下生长。根据生理生化结果,采用类平均法和欧氏距离模型进行聚类分析,可分为3组,分别包含7种、4种和6种芽胞杆菌。第1组均可以水解七叶灵和利用葡萄糖,第2组均不能水解七叶灵和利用葡萄糖,第3组仅能共同利用葡萄糖。【结论】四川海螺沟冰川土壤蕴藏着较为丰富的芽胞杆菌资源,为芽胞杆菌新资源挖掘提供了资源保障。

【全文文献传递

四川海螺沟冰川土样芽胞杆菌资源分析

四川海螺沟冰川土样芽胞杆菌资源分析

刘琴英1,2 刘国红2 王阶平2 车建美2 陈倩倩2 刘波2*

(1. 福建师范大学生命科学学院 福建 福州 350117)

(2. 福建省农业科学院农业生物资源研究所 福建 福州 350003)

摘 要:【背景】芽胞杆菌(Bacillus-like)是一类能形成具有强抗性芽胞且可在多种极端环境下存活的细菌,其产生的多种功能代谢产物在多种领域具有重要研究价值。由于冰川低温、寡营养的独特生态环境,其存在的芽胞杆菌可能具有特殊性,因此研究冰川芽胞杆菌有利于发掘新基因、丰富芽胞杆菌多样性。【目的】了解四川海螺沟冰川土壤芽胞杆菌资源,为挖掘芽胞杆菌新资源提供基础。【方法】采用纯培养法分离获得冰川土壤芽胞杆菌资源,利用16S rRNA基因进行系统发育分析,测定代表性菌株的生理生化特性并采用类平均法和欧氏距离模型进行聚类分析。【结果】共筛选到可培养细菌44株,经16S rRNA基因鉴定确定其中36株为芽胞杆菌,隶属于4个属的19个种,分别为芽胞杆菌属(Bacillus) 11个种24株、类芽胞杆菌属(Paenibacillus)2个种3株、短芽胞杆菌属(Brevibacillus) 4个种5株和赖氨酸芽胞杆菌属(Lysinibacillus) 2个种4株,其中以芽胞杆菌属(Bacillus)为优势属。分离菌中仅3株芽胞杆菌可在4 °C生存,7株能在50 °C生长,大部分菌株在30 °C下生长良好;有74%菌株能耐碱,有37%菌株能在无盐条件下生长。根据生理生化结果,采用类平均法和欧氏距离模型进行聚类分析,可分为3组,分别包含7种、4种和6种芽胞杆菌。第1组均可以水解七叶灵和利用葡萄糖,第2组均不能水解七叶灵和利用葡萄糖,第 3组仅能共同利用葡萄糖。【结论】四川海螺沟冰川土壤蕴藏着较为丰富的芽胞杆菌资源,为芽胞杆菌新资源挖掘提供了资源保障。

关键词:芽胞杆菌,冰川,分离,鉴定

芽胞杆菌(Bacillus-like)是一类产生抗逆性芽胞的重要微生物资源,能产生多种功能代谢产物,可用于生物农药、生物肥料、生物饲料、生物降污、生物保鲜、生物修复、益生菌、医药保健等领域,具有重要的研究价值和开发利用前景[1]。冰川占据地球陆地面积10%的生态环境,因其长期的低温、强辐射和寡营养等环境特征,蕴藏着具有独特生理特性和适应环境变化的微生物。随着近年来冰川退缩的加剧,冰川退缩前沿裸露地微生物群落演替特性受到了诸多研究者的关注[2],常用的技术手段主要是可培养和高通量测序。利用可培养技术,邢婷婷等研究发现青藏高原木孜塔格冰川、玉珠峰冰川及扎当冰川可培养细菌生长温度范围均为0−35 °C,其中玉珠峰冰川和扎当冰川都含有短芽胞杆菌属种类(Brevibacillus spp.),后者还获得了芽胞杆菌属种类(Bacillus spp.)[3];李明源等采用 LB和PYGV两种培养基分离慕士塔格峰洋布拉克冰川雪冰及融水中可培养细菌,仅LB培养基获得了芽胞杆菌属,2株菌与蜡状芽胞杆菌(Bacillus cereus)亲缘关系很近[4];Rondón等研究分析Pico Bolivar冰川和冰川融水中可培养细菌的多样性,获得54株菌分别为β-变形菌门、γ-变形菌门、放线菌和拟杆菌[5];Singh等对北极冰芯中细菌的分类学特性和潜在的生物学特性研究中获得奇异芽胞杆菌(Bacillus barbaricus)[6]。通过高通量测序技术,Liu等调查了中国南北不同气候条件的各3个冰川表面初步的微生物群落结构及细菌的多样性[7];张淑红等研究了喀拉昆仑南部熊彩岗日地区冰川细菌属水平的群落结构[2];Seok等分析了斯瓦尔巴德岛冰川土壤微生物的群落结构,获得 28个不同的门或类,其中包括细菌、放线菌和厚壁菌门等[8]。本文对四川海螺沟冰川土样芽胞杆菌资源进行分析,以期丰富芽胞杆菌冰川分布的科学数据。

四川海螺沟冰川位于贡嘎山东坡,青藏高原东南缘,海螺沟是贡嘎山东坡最主要冰川河,也是我国最具代表性的季风海洋性山谷冰川之一[9]。本文采用纯培养法调查四川海螺沟冰川土样中的芽胞杆菌资源,采用16S rRNA基因对分离的芽胞杆菌资源进行系统发育分析,检测其生理生化特性,揭示该区域冰川土样中芽胞杆菌多样性,以期了解四川海螺沟冰川芽胞杆菌种群多样性,为开发和发掘海螺沟冰川芽胞杆菌资源提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 样品采集

2016年8月,从四川省泸定县磨西镇海螺沟冰川共采集 10 份土样,东经 101°59′,北纬 29°34′,海拔3 029 m,装入无菌袋中带回实验室4 °C存放。

1.1.2 培养基

LB分离培养基(g/L):酵母浸出物 5.0,NaCl 10.0,胰蛋白胨 10.0,琼脂 15−20,pH 7.0−7.2。pH耐受培养基(g/L):胰蛋白胨10.0,酵母浸出物5.0,NaCl 10.0,琼脂15−20,用1 mol/L NaOH溶液调节基础培养基的pH,使其最终pH分别为5.7、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0。NaCl耐受培养基(g/L):胰蛋白胨10.0,酵母浸出物5.0,称取NaCl 0、10、30、50、70、100 (使其最终NaCl浓度分别为0、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、10.0%),琼脂15−20。温度耐受培养基(g/L):胰蛋白胨 10.0,酵母浸出物 5.0,NaCl 10.0,琼脂15−20。以上培养基均1×105 Pa灭

菌20 min。

1.1.3 主要试剂和仪器

细菌16S rRNA基因通用引物27F (5′-GAGTT TGATCCTGGCTCAG-3′)和 1492R (5′-ACGGCTAC CTTGTTACGACTT-3′)由铂尚生物技术(上海)有限公司合成。10×Buffer、dNTPs、Taq酶,铂尚生物技术(上海)有限公司;100 bp Marker,上海英骏生物技术有限公司;NaCl,西陇科学股份有限公司;Tris/HCl,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;EDTA,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;Tris-saturated Phenol (pH 8.0),天津市灏洋生物制品科技有限责任公司;API 20E试剂盒、API 50CH试剂盒、NaCl 0.85% (5 mL),BioMerieux公司;矿物油,北京索莱宝科技有限公司。

凝胶成像仪,美国UVP公司;基因扩增仪,杭州博日科技有限公司;电泳仪,美国 Bio-Rad公司;高速台式冷冻离心机,德国艾本德股份公司;电子数显卡尺,桂林广陆数字测控股份有限公司;生化培养箱,施都凯仪器设备(上海)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 芽胞杆菌的资源分离

通过温度法和稀释涂布法在LB平板上分离冰川土样中芽胞杆菌,称取10 g土壤样本加入90 mL的无菌水中,170 r/min振荡30 min混匀,即配成10−1浓度,并放置到80 °C的水浴中加热10 min,杀死其他细菌以及营养体细胞。吸取1 mL原液至装有9 mL无菌水的试管,即配成10−2浓度,同法配 10−3、10−4浓度。无菌条件下涂布,30 °C 培养48 h,之后4 °C培养7 d,根据菌落大小、形态、颜色进行初步筛选分离并纯化,并将获得的芽胞杆菌菌落通过平板划线法和稀释涂布平板法进行纯化,获得相应菌落的纯化菌株并保存。

1.2.2 芽胞杆菌的16S rRNA基因鉴定

芽胞杆菌基因组 DNA提取采用苯酚-氯仿法。PCR扩增采用细菌16S rRNA基因通用引物。PCR 反应体系(25 μL):10×Buffer 2.5 μL,dNTPs(10 mmol/L) 0.5 μL,引物 27F和1492R (10 μmol/L)各 1 μL,Taq 酶(5 U/μL) 0.3 μL,DNA 模板 1 μL。PCR 反应条件:94 °C 5 min;94 °C 30 s,55 °C 45 s,72 °C 90 s,30 个循环;72 °C 10 min。取2.5 μL PCR产物,点样于1.5%的琼脂糖凝胶中,电泳40 min后用凝胶成像仪观察电泳结果。检测出有条带的菌株PCR产物送至铂尚生物技术有限公司进行测序。将各菌株的16S rRNA基因序列通过EzTaxon-e (http://eztaxon-e.ezbiocloud.net/)进行比对分析,下载相近的模式菌株序列,经ClustalX 对齐后,通过软件 MEGA 6.0 (方法为Neighbour-Joining,Bootstrap值取1 000)构建系统进化树。

1.2.3 耐盐特性测定

参照刘冰冰等耐盐特性测定方法,将16S rRNA基因鉴定结果中所挑选的代表菌株分别接种于不同盐浓度的LB培养基上,30 °C倒置于恒温培养箱中,培养48 h后观察菌株生长情况[10]

1.2.4 温度特性测定

根据16S rRNA基因鉴定结果挑选出代表菌株,参照谢永丽等温度特性测定的方法加以改进[11],将代表菌株接种于LB培养基上,分别倒置于4、15、20、25、30、45 °C的恒温培养箱中,培养48 h后观察菌株的生长情况(4 °C和15 °C需培养5 d后观察菌株的生长情况)。

1.2.5 pH耐受特性测定

参照谢永丽等pH耐受特性测定的方法加以改进[11],将16S rRNA基因鉴定结果中挑选出的代表菌株分别接种于不同pH梯度的LB培养基上,倒置于30 °C的恒温培养箱中,培养48 h后观察菌株的生长情况。

1.2.6 生理生化特性测定

测定方法按照API 50CH碳水化合物鉴定试剂条的说明书进行,先制备菌悬液,然后将菌悬液加到试剂条上的50个微生化管中,最后用无菌液体石蜡封管静置30 °C培养,24 h和48 h各观察1次结果。试剂条变为黄色(25号管变为黑色)为阳性反应,变为绿色(25号管除外)为弱阳性反应,不变色为阴性反应,以48 h观察到的结果作为最终结果。参照API 20E的鉴定试剂说明书进行,将菌悬液加入到试条的小管内。在试验 Hydrolysis ADH (Arginine digydrolase)、LDC (Lysine decarboxylase)、ODC (Ornithine decarboxylase)、H2S (Hydrogen sulfide)和 URE (Urease)小杯内加入矿物油以形成厌氧环境,30 °C培养18−24 h;参考说明表判读其结果。根据生理生化反应结果统计表,将阳性记“1”,阴性记“0”生成新表格,利用DPS (Data Processing System)软件进行分析,可变类平均法计算菌株间的欧氏距离进行阳性率系统聚类分析[12]。其中指标阳性率平均值为 1时,表明菌株多个生理生化指标阳性率为100%,为0时阴性率为100%。

2 结果与分析

2.1 芽胞杆菌资源的分离及鉴定

通过稀释涂布法从四川海螺沟冰川土壤中共分离到44株不同菌落形态的菌株,其中,30 °C条件下培养获得33株(FJAT-46639−FJAT-46671),在4 °C 下分离到 11 株(FJAT-46673−FJAT-46683)。它们的菌落较小,分离菌株菌落平均直径大小约为1−2 mm,颜色大多为乳白色,少数为黄色,圆形不透明,表面光滑湿润或粘稠,边缘较整齐,多数隆起,少数为扁平。菌落形态见图1。

16S rRNA基因鉴定结果表明,44株分离菌中仅36株为芽胞杆菌,隶属于4个属的19个种(表1),分别为芽胞杆菌属(Bacillus,11种,24株)、类芽胞杆菌(Paenibacillus,2种,3株)、短芽胞杆菌属(Brevibacillus,4种,5株)和赖氨酸芽胞杆菌属(Lysinibacillus,2种,4株),其中以芽胞杆菌属(Bacillus)为优势属,占总体的67%。本实验分离获得的 4个属 19种芽胞杆菌中,以芽胞杆菌属(Bacillus)、短芽胞杆菌属(Brevibacillus)和类芽胞杆菌属(Paenibacillus) 3个属分布较广泛。

图1 芽胞杆菌的菌落形态
Figure 1 Morphology of some colonies of Bacillus-like species
Note: A: Bacillus megaterium FJAT-46639; B: Paenibacillus provencensis FJAT-46641; C: Lysinibacillus fusiformis FJAT-46642; D:Brevibacillus reuszeri FJAT-46643; E: Bacillus siamensis FJAT-46644; F: Bacillus aryabhattai FJAT-46645; G: Bacillus thuringiensis FJAT-46646; H: Brevibacillus fluminis FJAT-46648; I: Brevibacillus agri FJAT-46651; J: Bacillus weihenstephanensis FJAT-46654; K:Bacillus cytotoxicus FJAT-46655; L: Bacillus nealsonii FJAT-46656; M: Bacillus simplex FJAT-46657; N: Bacillus indicus FJAT-46658; O:Bacillus licheniformis FJAT-46659; P: Brevibacillus brevis FJAT-46662; Q: Paenibacillus amylolyticus FJAT-46664; R: Bacillus psychrosaccharolyticus FJAT-46679; S: Bacillus cecembensis FJAT-46680.

2.2 芽胞杆菌资源的系统发育分析

由图 2可知,19种芽胞杆菌菌株可分为4大类群:第I类群由11种芽胞杆菌组成,皆为芽胞杆菌属,分别为巨大芽胞杆菌(Bacillus megaterium)、阿氏芽胞杆菌(Bacillus aryabhattai)、苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis)、暹罗芽胞杆菌(Bacillus siamensis)、韦氏芽胞杆菌(Bacillus weihenstephanensis)、简单芽胞杆菌(Bacillus simplex)、印度芽胞杆菌(Bacillus indicus)、冷解糖芽胞杆菌(Bacillus psychrosaccharolyticus)、地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)、尼氏芽胞杆菌(Bacillus nealsonii)和细胞毒素芽胞杆菌(Bacillus cytotoxicus);第II类群为赖氨酸芽胞杆菌属,包含纺锤形赖氨酸芽胞杆菌(Lysinibacillus fusiformis)和科研中心芽胞杆菌(Bacillus cecembensis);第 III类群为短芽胞杆菌属,包含短短芽胞杆菌(Brevibacillus brevis)、茹氏短芽胞杆菌(Brevibacillus reuszeri)、流水短芽胞杆菌(Brevibacillus fluminis)、和土壤短芽胞杆菌(Brevibacillus agri) 4个种;第IV类群为类芽胞杆菌属(Paenibacillus),由普罗旺斯类芽胞杆菌(Paenibacillus provencensis)和解淀粉类芽胞杆菌组成,其中包含了一株潜在新种FJAT-46664,它与解淀粉类芽胞杆菌的模式菌16S rRNA基因序列相似性最高,达98.5%,低于种的界限阈值98.65%。

表1 海螺沟冰川土壤芽胞杆菌16S rRNA基因鉴定
Table 1 Identification of Bacillus-like species isolated from Hailuogou glacier soil samples based on 16S rRNA gene sequences

菌株编号学名相似性序列号Strain No.Scientific name Similarity (%)Accession No.FJAT-46639巨大芽胞杆菌Bacillus megaterium 100.0 MF322893 FJAT-46641普罗旺斯类芽胞杆菌Paenibacillus provencensis 99.8 MF322892 FJAT-46642纺锤形赖氨酸芽胞杆菌Lysinibacillus fusiformis 100.0 MF322891 FJAT-46643茹氏短芽胞杆菌Brevibacillus reuszeri 99.8 MF322890 FJAT-46644暹罗芽胞杆菌Bacillus siamensis 100.0 MF322889 FJAT-46645阿氏芽胞杆菌Bacillus aryabhattai 100.0 MF322888 FJAT-46646苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis 99.9 MF322887 FJAT-46648流水短芽胞杆菌Brevibacillus fluminis 99.9 MF322886 FJAT-46651土壤短芽胞杆菌Brevibacillus agri 99.4 MF322885 FJAT-46654韦氏芽胞杆菌Bacillus weihenstephanensis 99.6 MF322884 FJAT-46655细胞毒素芽胞杆菌Bacillus cytotoxicus 100.0 MF322883 FJAT-46656尼氏芽胞杆菌Bacillus nealsonii 98.9 MF322882 FJAT-46657简单芽胞杆菌Bacillus simplex 99.3 MF322881 FJAT-46658印度芽胞杆菌Bacillus indicus 100.0 MF322880 FJAT-46659地衣芽胞杆菌Bacillus licheniformis 100.0 MF322879 FJAT-46662短短芽胞杆菌Brevibacillus brevis 99.0 MF322878 FJAT-46664解淀粉类芽胞杆菌Paenibacillus amylolyticus 98.5 MF322877 FJAT-46679冷解糖芽胞杆菌Bacillus psychrosaccharolyticus 99.8 MF322876 FJAT-46680科研中心芽胞杆菌Bacillus cecembensis 99.5 MF322875

2.3 芽胞杆菌资源的培养特性分析

根据16S rRNA基因序列鉴定结果,从中挑选出19株具有不同16S rRNA基因序列的芽胞杆菌进行pH、温度和NaCl培养特性研究。由表2可知,菌株FJAT-46639、FJAT-46645和FJAT-46659的耐盐范围最大在 0−10%,最适盐浓度为 1%−3%,仅有1株菌只在3%盐浓度生长,7株可以在无盐的条件下生长。64%的菌株pH耐受范围在5.7−11.0,仅FJAT-46648株菌的 pH 耐受范围为 5.7−8.0,FJAT-46658和FJAT-46679菌株在pH 7.0及以下不生长,15%的菌株在pH 10.0及以上不生长,而菌株FJAT-46643的pH耐受范围在5.7−10.0,大部分菌株最适 pH在 7.0。温度特性实验结果表明,约52.6%的菌株能在50 °C生长,菌株FJAT-46648和FJAT-46651的生长温度范围只在 30−45 °C;只有FJAT-46657、FJAT-46679和 FJAT-46680这 3株菌能在4 °C下生长,其余菌株在4 °C下均不生长。大部分菌株在30 °C条件下生长较好。

2.4 芽胞杆菌资源的生理生化特性分析

根据生理生化实验结果,采用类平均法和欧氏距离模型进行聚类分析(图 3)。当欧氏距离为5时,可分为3组。第一组为普罗旺斯类芽胞杆菌(Paenibacillus provencensis)、暹罗芽胞杆菌(B. siamensis)、巨大芽胞杆菌(B. megaterium)、阿氏芽胞杆菌(B. aryabhattai)、尼氏芽胞杆菌(B. nealsonii)、地衣芽胞杆菌(B. licheniformis)和解淀粉类芽胞杆菌(Paenibacillus amylolyticus)共7种;第二组包括4种,分别为纺锤形赖氨酸芽胞杆菌(Lysinibacillus fusiformis)、短短芽胞杆菌(Brevibacillus brevis)、茹氏短芽胞杆(Brevibacillus reuszeri)和科研中心芽胞杆菌(B. cecembensis);第三组由苏云金芽胞杆菌(B. thuringiensis)、韦氏芽胞杆菌(B. weihenstephanensis)、简单芽胞杆菌(B. simplex)、印度芽胞杆菌(B. indicus)、冷解糖芽胞杆菌(B. psychrosaccharolyticus)和细胞毒素芽胞杆菌(B. cytotoxicus) 6种组成。

图2 海螺沟冰川土样中19株芽胞杆菌的系统发育树
Figure 2 Phylogenetic analysis of 19 Bacillus-like species from soil samples in Hailuogou Sichuan Province

表2 芽胞杆菌pH、温度及NaCl生长特性
Table 2 The growth characteristics of Bacillus-like species in different conditions of pH, temperature and NaCl

温度范围(最适温度)NaCl含量(最适)菌株编号 学名pH范围(最适pH)pH range Temperature range Content of NaCl Strain No.Scientific name (Optimum pH)(°C) (Optimum (%) (Optimum temperature)NaCl)FJAT-46639巨大芽胞杆菌Bacillus megaterium 5.7−11.0 (5.7)15−50 (45)0−10 (1−3)FJAT-46641普罗旺斯类芽胞杆菌Paenibacillus provencensis 5.7−11.0 (7.0)15−50 (30)1−3 (1)FJAT-46642纺锤形赖氨酸芽胞杆菌Lysinibacillus fusiformis 5.7−11.0 (7.0)15−50 (30)1−5 (1)FJAT-46643茹氏短芽胞杆菌 Brevibacillus reuszeri 5.7−10.0 (7.0)30−50 (45)1 FJAT-46644暹罗芽胞杆菌Bacillus siamensis 5.7−9.0 (7.0)30−50 (45)3−5 FJAT-46645阿氏芽胞杆菌Bacillus aryabhattai 5.7−11.0 (8.0)15−50 (30)0−10 (1)FJAT-46646苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis 5.7−11.0 (7.0)15−50 (30)1−7 (1)FJAT-46648流水短芽胞杆菌Brevibacillus fluminis 5.7−8.0 (7.0)30−45 (30)1 FJAT-46651土壤短芽胞杆菌Brevibacillus agri 5.7−9.0 (8.0)30−45 (45)1 FJAT-46654韦氏芽胞杆菌Bacillus weihenstephanensis 5.7−11.0 (5.7)15−30 (15)1−5 (1)FJAT-46655细胞毒素芽胞杆菌Bacillus cytotoxicus 5.7−11.0 (5.7)20−30 (30)1−3 FJAT-46656尼氏芽胞杆菌Bacillus nealsonii 5.7−11.0 (8.0)15−45 (30)1−5 (1−3)FJAT-46657简单芽胞杆菌Bacillus simplex 5.7−11.0 (8.0)4−30 (15)1−7 (1)FJAT-46658印度芽胞杆菌Bacillus indicus 7.0−11.0 (8.0−9.0)15−50 (30)0−7 (1)FJAT-46659地衣芽胞杆菌Bacillus licheniformis 5.7−11.0 (7.0)20−50 (45)0−10 (0−3)FJAT-46662短短芽胞杆菌Brevibacillus brevis 5.7−9.0 (8.0)20−50 (45)0−1 FJAT-46664解淀粉类芽胞杆菌Paenibacillus amylolyticus 5.7−11.0 (8.0)15−30 (30)0−5 (0−1)FJAT-46679冷解糖芽胞杆菌Bacillus psychrosaccharolyticus 7.0−11.0 (8.0)4−30 (15)3 FJAT-46680科研中心芽胞杆菌Bacillus cecembensis 5.7−11.0 (10.0)4−30 (30)0−3 (0−1)

图3 用可变类平均法得到的树状谱
Figure 3 The dendrogram obtained by the group average method

注:图中数字为欧式距离.
Note: The number is Euclidean distance in the picture.

表3 3组芽胞杆菌生理生化指标阳性率平均值
Table 3 Three groups of Bacillus-like for positive rate average of physiological and biochemical indexes

组别样本号第1组7个样本第2组4个样本第3组6个样本Sample Seven samples of the first Four samples of the second Six samples of the third group group group甘油Glycerol 0.86 0.00 0.17赤癣醇Erythritol 0.140.00 0.00 L-阿拉伯糖L-Arabinose 1.000.00 0.00核糖Ribose 1.000.00 0.5 D-木糖D-Xylose 1.000.00 0.17半乳糖Galactose 0.710.00 0.00葡萄糖Glucose 1.000.00 1.00果糖Fructose 1.000.00 0.83甘露糖Mannose 0.570.00 0.50山梨糖Sorbose 0.140.00 0.00鼠李糖Rhamnose 0.140.00 0.00肌醇Inositol 0.290.00 0.33甘露醇Mannitol 0.860.25 0.17山梨醇Sorbitol 0.570.00 0.00 α-甲基-D-葡萄糖甙0.430.00 0.17 α-Methyl-D-mannose glycosides N-乙酰-葡糖胺N-Acetylglucosamine 0.86 0.25 0.67苦杏仁甙Amygdalin 1.000.00 0.00熊果甙Arbutin 0.860.00 0.17七叶灵Esculin 1.000.00 0.67柳醇Saligenin 0.860.00 0.50纤维二糖Cellobiose 0.860.00 0.67麦芽糖Maltose 0.860.00 0.83乳糖Lactose 0.430.00 0.00蜜二糖D-Melibiose 0.710.00 0.17蔗糖Sucrose 1.000.00 0.33海藻糖Trehalose 0.860.00 0.83松叁糖Melizitose 0.290.00 0.00棉子糖Raffinose 0.860.00 0.33淀粉Starch 1.000.00 0.50肝糖Glycogen 0.860.00 0.50龙胆二糖Gentiobiose 0.860.00 0.00 D-松二糖D-Turanose 0.570.00 0.00葡萄糖酸盐Gluconate 0.290.00 0.33邻硝基苯-半乳糖苷0.710.25 0.33 2-Nitrophenyl β-D-galactopyranoside精氨酸Arginine 0.14 0.25 0.33梓檬酸钠Sodium citrate 0.140.25 0.17脲素Carbamide 0.000.50 0.00 Kohn明胶Gelatin 0.430.75 1.00到中心距离Distance of center RMSTD=1.345 1RMSTD=7.817 3 RMSTD=1.362 1

根据上述欧氏距离聚类分析的结果,进行了各组芽胞杆菌生理生化指标阳性率的分析(表3)。从各组到中心距离的值可以得出这3组之间的差距比较大,第 3组生理生化指标阳性率值到中心的距离RMSTD=1.362 1,约等于第1组,小于第2组。从表3可知,第1组和第3组均可以利用葡萄糖,第2组则均无法利用葡萄糖;对甘油的利用程度来看,第1组中能利用甘油的芽胞杆菌最多;第1组的样本均可以水解七叶灵,第3组中有部分菌可以水解七叶灵,而第2组均不能水解七叶灵;仅第1组中的芽胞杆菌能分解半乳糖;这3组中均有菌株能利用明胶,而第 2组中的全部都能利用明胶。除此之外,其组内的各菌种之间也是有较大的差距的。第1组中,从均值上看,不是所有的菌株都能利用同一种物质但它们都可以利用核糖、七叶灵、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉等;而第3组的仅能共同利用葡萄糖。

根据代表芽胞杆菌的生理生化结果阳性统计表,对其进行聚类分析,利用Wilks统计量分析生理生化反应在不同芽胞杆菌间的差异。从表 4可知,有大于30%的菌株在生理生化反应中,其物质阳性率占60%以上,其中最高的为尼氏芽胞杆菌(B.nealsonii) FJAT-46656为81.58%,而茹氏短芽胞杆菌(Brevibacillus reuszeri) FJAT-46643和科研中心芽胞杆菌(B. cecembensis) FJAT-46680的物质阳性率仅占5.26%。

3 讨论与结论

冰川冰芯、融水及冻土等低温环境中,可培养细菌主要包括6个系统发育类群:α-变形菌门、β-变形菌门、γ-变形菌门、拟杆菌、高 G+C%和低G+C%含量革兰氏阳性菌,至少有30多个属[13-15]。本文研究结果表明,四川海螺沟冰川获得的芽胞杆菌隶属于4个属19个种,芽胞杆菌属(Bacillus)11个种、类芽胞杆菌属(Paenibacillus) 2个种、短芽胞杆菌属(Brevibacillus) 4个种、赖氨酸芽胞杆菌属(Lysinibacillus) 2个种,其中芽胞杆菌属为优势属。

表4 芽胞杆菌生理生化指标阳性率统计
Table 4 Statistics of positive rate of physiological and biochemical indexes of Bacillus-like

变量样本数均值方差标准差Variables Sample Average value Variance Standard deviation Wilks P value FJAT-46639 38 0.657 9 0.231 2 0.480 8 0.600 1 0 FJAT-46641 38 0.394 7 0.245 4 0.495 4 0.621 1 0 FJAT-46642 38 0.131 6 0.117 4 0.342 6 0.400 3 0 FJAT-46643 38 0.052 6 0.051 2 0.226 3 0.237 2 0 FJAT-46644 38 0.789 5 0.170 7 0.413 2 0.502 4 0 FJAT-46645 38 0.657 9 0.231 2 0.480 8 0.600 1 0 FJAT-46646 38 0.368 4 0.239 0 0.488 9 0.611 7 0 FJAT-46654 38 0.368 4 0.239 0 0.488 9 0.611 7 0 FJAT-46655 38 0.263 2 0.199 1 0.446 3 0.550 3 0 FJAT-46656 38 0.815 8 0.154 3 0.392 9 0.473 0 0 FJAT-46657 38 0.236 8 0.185 6 0.430 9 0.528 0 0 FJAT-46658 38 0.394 7 0.245 4 0.495 4 0.621 1 0 FJAT-46659 38 0.710 5 0.211 2 0.459 6 0.569 6 0 FJAT-46662 38 0.026 3 0.026 3 0.162 2 0.152 4 0 FJAT-46664 38 0.605 3 0.245 4 0.495 4 0.621 1 0 FJAT-46679 38 0.289 5 0.211 2 0.459 6 0.569 6 0 FJAT-46680 38 0.052 6 0.051 2 0.226 3 0.237 2 0

我国地域辽阔,拥有丰富的冰川类型,包括大陆性冰川、亚大陆冰川和海洋型冰川,而且冰川分布的范围广,资源丰富,从低纬度到高纬度地区都有分布[16-17]。在新疆、青海、甘肃、四川、云南和西藏等地区的冰川环境中潜藏着丰富的芽胞杆菌资源。本文从四川海螺沟冰川土壤样品中获得的19种芽胞杆菌种类,与其他冰川如玉珠峰冰川[3]、祁连山冰川[18]、扎当冰川[3]、慕士塔格峰洋布拉克冰川[4]、喀拉昆仑南部熊彩岗日地区冰川[4]、天山冰芯[19]、东天山地区冰川[20]、卓奥友地区冰川[20]、马兰冰芯[21]、喀纳斯湖区[22]、玉龙雪山冰川[23]、东绒布冰川[24]、西昆仑山[25]及西昆仑崇测冰帽[26]等进行比较分析,其中解淀粉类芽胞杆菌(Paenibacillus amylolyticus)在卓奥友地区冰川[20]、喀纳斯湖区[22]和玉龙雪山冰川[23]中均有报道;在西昆仑崇测冰帽[26]也有发现纺锤形赖氨酸芽胞杆菌(Lysinibacillus fusiformis);韦氏芽胞杆菌(B. weihenstephanensis)也分布在慕士塔格峰洋布拉克冰川[4];在珠穆朗玛峰地区的东绒布冰川分离到土壤短芽胞杆菌(Brevibacillus agri)[24];在西昆仑山2个不同海拔位点上分离获得地衣芽胞杆菌(B. licheniformis)和简单芽胞杆菌(B. simplex)[25],由此可知冰川地区的芽胞杆菌资源具有一定相似性。此外,在四川海螺沟冰川发现的普罗旺斯类芽胞杆菌(Paenibacillus provencensis)、暹罗芽胞杆菌(B. siamensis)、巨大芽胞杆菌(B. megaterium)、阿氏芽胞杆菌(B. aryabhattai)、尼氏芽胞杆菌(B. nealsonii)、短短芽胞杆菌(Brevibacillus brevis)、茹氏短芽胞杆菌(Brevibacillus reuszeri)、科研中心芽胞杆菌(B. cecembensis)、苏云金芽胞杆菌(B. thuringiensis)、印度芽胞杆菌(B. indicus)、冷解糖芽胞杆菌(B. psychrosaccharolyticus)、流水短芽胞杆菌(Brevibacillus fluminis)和细胞毒素芽胞杆菌(B. cytotoxicus)这13株菌在国内其他冰川中鲜见报道,推测是地方特有类群。这是否与其所处冰川的地理格局及气候因素有关,尚需进一步探讨。综上表明四川海螺沟冰川的土壤中分布着独特的芽胞杆菌群落结构和多样性。

四川海螺沟冰川土样中分离的芽胞杆菌具有较广的温度适应性,多数菌株的生长温度范围为15−50 °C,能在 50 °C 下存活的菌株有 10株,说明有一半的芽胞杆菌对外界高温具有一定的耐受能力,且有3株菌能在4 °C下生长。对19株代表芽胞杆菌进行 pH耐受特性实验,筛选得到能在 pH范围为5.7−11.0生长的芽胞杆菌有12株,占代表芽胞杆菌总数的64%,说明有半数以上的芽胞杆菌有较广的pH耐受范围。从实验结果得出相同属不同种芽胞杆菌的pH耐受性相似,不同属的芽胞杆菌之间的pH耐受性有一定的差异。而芽胞杆菌耐盐特性实验得出,芽胞杆菌的耐盐范围最大在0−10.0%,有的耐盐范围仅在0−1.0%,说明芽胞杆菌之间的耐盐度差异较大。

法国梅里埃(BioMerieux,SA) API微生物鉴定方法简单、快速和结果明显。本研究中选用了鉴定芽胞杆菌的API 50CH和API 20E试剂条检测供试菌株,根据反应结果统计表进行了欧氏距离等方法统计,结果表明四川海螺沟冰川芽胞杆菌具有多样性的生理生化特性,其中不同物质的利用率差异较大,明胶的利用率最高,鼠李糖、山梨醇等的利用率低;同时发现同属不同种菌株的生理生化特征具有一定的差异,如尼氏芽胞杆菌FJAT-46656能利用80%以上的物质,而茹氏短芽胞杆菌FJAT-46643的物质阳性率仅达到5.26%,这可能与芽胞杆菌对环境的适应性及其本身的性质有一定的相关性。

Sun等报道了细菌基因组内的非均匀性引起16S rRNA基因对原核生物多样性过度估计,细菌不同区域的16S rRNA基因的多样性误差可能影响种类的鉴定[27]。文中16S rRNA基因作为芽胞杆菌种类鉴定的依据,仅为种类资源调查的初筛手段,同时比对序列的相似性控制在99.0%以上,对于每一个芽胞杆菌种类的最后确定还进行了相应的全基因组、细胞壁、生理生化特性、脂肪酸组、甚至物质组的实验分析。本文通过16S rRNA基因和生理生化特性实验初步研究了四川海螺沟冰川芽胞杆菌的分布,为后续进一步开发利用这些芽胞杆菌资源提供了理论基础。

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Foundation items: National Natural Science Foundation of China (31370059); Natural Science Foundation of Fujian Province (2016J01129); Principal Investigator Project of Fujian Academy of Agricultural Sciences (2016PI-43); Youth Talents Program of Fujian Academy of Agricultural Sciences(YC2015-17); Science and Technology Innovation Team Program of Fujian Academy of Agricultural Sciences (STIT2017-1-11)

*Corresponding author: E-mail: fzliubo@163.com

Received:August 16, 2017;

Accepted:December 19, 2017;

Published online(www.cnki.net): January 15, 2018

Isolation and identification of Bacillus-like species from glacier soil samples collected from Hailuogou in Sichuan Province

LIU Qin-Ying1,2 LIU Guo-Hong2 WANG Jie-Ping2 CHE Jian-Mei2 CHEN Qian-Qian2 LIU Bo2*
(1. College of Life Science, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350117, China)
(2. Agricultural BioResources Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou, Fujian 350003, China)

Abstract: [Background]Bacillus-like bacteria can form endospores with strong resistance and thus,can survive in a variety of extreme environments. Their multiple metabolic products make them have important research value in many fields. Because glacier has the low temperature and oligotrophic unique environment, Bacillus-like bacteria in this environment would be specific, which could be expected to enrich the Bacillus-like resources and discover new functional genes. [Objective]The aim of this study is to understand the diversity of the Bacillus-like resources in the Hailuogou glacier,Sichuan Province, providing a foundation for mining new Bacillus-like resources. [Methods]Bacillus-like strains were isolated by the culture-dependent method and identified using 16S rRNA gene sequence. Subsequently, physiological-biochemical characteristics of the typical strains selected were determined and further performed cluster analysis by the group-average method with the Euclidean distance model. [Results]In total, 44 strains were obtained and 36 strains belonged to Bacillus-like bacteria. The 16S rRNA gene phylogenetic analysis showed that they could be assigned to 19 species within 4 genera including Bacillus (11 species 24 strains), Paenibacillus (2 species 3 strains), Brevibacillus (4 species 5 strains) and Lysinibacillus (2 species 4 strains). Thus, the genus Bacillus was dominant. The physiological-biochemical characteristics showed that: i) only 3 strains could survive at 4 °C, 7 strains could grow at 50 °C, whereas most strains could grow well at 30 °C;ii) 74% of the Bacillus-like strains had alkali resistance; and iii) 37% of them could grow without NaCl. According to the physiological and biochemical results, those strains could be divided into 3 groups by cluster analysis using the group average method and Euclidean distance models. The first group could hydrolyze esculin and utilize glucose. The second groups could not hydrolyze esculin and utilize glucose, and the third group could only utilize glucose. [Conclusion]Hailuogou glacier soil is rich in the Bacillus-like resources, providing a basis for the mining of them.

Keywords: Bacillus-like, Glacier, Isolation, Identification

基金项目:国家自然科学基金(31370059);福建省自然科学基金(2016J01129);福建省农业科学院 PI项目(2016PI-43);福建省农业科学院青年英才计划(YC2015-17);福建省农业科学院科技创新团队(STIT2017-1-11)

*通信作者:E-mail:fzliubo@163.com

收稿日期:2017-08-16;接受日期:2017-12-19;网络首发日期(www.cnki.net):2018-01-15

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