張豪,李哲,郭凱,郝永任
(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)生物研究所,山東 濟(jì)南 250014)
木霉(Trichoderma spp.)是一類(lèi)重要的多功能絲狀真菌,也是工業(yè)上重要的酶制劑生產(chǎn)菌株和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的生防菌株和植物促生菌株,在促生抗逆、生物防治、纖維素酶生產(chǎn)和生物質(zhì)利用等方面有著廣泛用途。
在生產(chǎn)、保存、運(yùn)輸以及工農(nóng)業(yè)應(yīng)用中,木霉不可避免地要面對(duì)自然環(huán)境和發(fā)酵環(huán)境中的不利影響,如高溫、低溫、鹽堿、干旱等,這將直接影響木霉生存,進(jìn)而影響其農(nóng)業(yè)防治效果和工業(yè)生產(chǎn)能力。因此,提高木霉對(duì)不利環(huán)境的適應(yīng)能力,對(duì)其在工農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用意義重大。
木霉體內(nèi)代謝途徑豐富,代謝產(chǎn)物繁多,很多代謝產(chǎn)物參與調(diào)控木霉對(duì)不利環(huán)境的適應(yīng)能力。利用基因組和基因工程技術(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),調(diào)控木霉中重要代謝產(chǎn)物的表達(dá)是提高木霉抗逆性、促生能力和產(chǎn)酶能力的有效途徑。大多數(shù)生物在面對(duì)逆境脅迫時(shí)會(huì)大量合成一些相溶性物質(zhì)用來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受傷害[1],如糖、多元醇和氨基酸等小分子,可以緩解外界滲透壓對(duì)細(xì)胞造成的壓力[2]。Kunte[3]研究發(fā)現(xiàn)在微生物細(xì)胞內(nèi),許多相容性溶質(zhì)會(huì)隨著微生物的生長(zhǎng)而不斷變化。
海藻糖是一種典型的應(yīng)激代謝產(chǎn)物,當(dāng)生長(zhǎng)環(huán)境良好時(shí),生物體體內(nèi)不積累海藻糖;當(dāng)處于脅迫環(huán)境(如饑餓、干旱、高溫和高鹽堿等)時(shí),體內(nèi)會(huì)迅速積累海藻糖,且會(huì)隨著不良環(huán)境的解除而被降解[4]。
海藻糖是由兩個(gè)葡萄糖分子以α,α-1,1糖苷鍵連接的非還原性雙糖,廣泛存在于植物、藻類(lèi)、真菌、細(xì)菌、昆蟲(chóng)等多種物種體內(nèi)[4]。海藻糖是昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育中的重要糖類(lèi)和能量物質(zhì),被稱(chēng)為昆蟲(chóng)的“血糖”[5,6],不僅能作為能源物質(zhì)在生物體內(nèi)儲(chǔ)存和作為保護(hù)劑保護(hù)生物膜、蛋白質(zhì)等免受傷害,使生物更好地抵抗不利環(huán)境[7-9],還能幫助植物應(yīng)對(duì)高溫、高鹽堿、干旱、嚴(yán)寒等極端環(huán)境,調(diào)節(jié)植物氣孔導(dǎo)度和水利用率,并作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝[10]。
Goddijn等[11]發(fā)現(xiàn)許多沙漠植物如折扇葉(Myrothamnus flabellifolius)、卷柏(Selaginella tamariscina)都含有高含量的海藻糖。Bell等[12]發(fā)現(xiàn),在熱激條件下釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中海藻糖大量積累。擬南芥(Arabidopsis thaliana)在鹽脅迫環(huán)境中體內(nèi)海藻糖含量增加,并提高了其耐鹽堿能力[13]。
海藻糖及其前體物質(zhì)海藻糖-6-磷酸(trehalose-6-phosphate,T6P)參與生物體內(nèi)一些信號(hào)調(diào)控和植物中多種代謝通路。海藻糖普遍存在于真菌的孢子、子實(shí)體和營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中。崔西苓[14]研究表明耐鹽堿木霉菌株中存在海藻糖。
現(xiàn)在已知的海藻糖合成途徑至少有5條,分別為OtsA-OtsB途徑(TPS/TPP途徑)、TreP途徑、TreS途 徑、TreY-TreZ 途 徑 和 TreT 途徑[15,16]。在真菌中存在OtsA-OtsB途徑和TreP途徑,分布最廣的是OtsA-OtsB途徑,在低等真核生物中,如酵母及絲狀真菌中,海藻糖均是通過(guò)OtsA-OtsB(TPS/TPP途徑)途徑合成的。OtsAOtsB途徑中主要的海藻糖合成酶包括海藻糖磷酸合成酶(trehalose-6-phosphate synthase,TPS)和海藻糖磷酸磷酸酯酶(trehalose-6-phosphate phosphatase,TPP)。海藻糖合成途徑包括兩步酶促反應(yīng):首先由TPS催化尿苷二磷酸-葡萄糖與葡萄糖-6-磷酸形成T6P,然后由TPP催化T6P脫磷酸形成海藻糖,TPS是海藻糖合成過(guò)程中的關(guān)鍵作用酶[17-19]。
海藻糖在生物體內(nèi)具有很強(qiáng)的抗脫水作用,在干旱、寒冷、高鹽堿等逆境條件下可保護(hù)生物膜、蛋白質(zhì)等免受傷害。因此,海藻糖能夠提高生物體對(duì)逆境條件的抗性。此外,海藻糖以及其他相容性溶質(zhì)的積累可增強(qiáng)生防菌抵御各種植物病原菌的能力[20,21]。因此,本研究構(gòu)建了過(guò)表達(dá)海藻糖合成酶編碼基因TvTPS/TPP的綠色木霉工程菌株,以研究TvTPS/TPP在海藻糖合成以及抗逆促生等方面的功能。
綠色木霉(Trichoderma viride)Tv-1511,由本實(shí)驗(yàn)室分離保存,在中國(guó)普通微生物菌種保藏中心的保藏號(hào)為CGMCC No.16800,保藏日期為2018年12月4日,保藏于中國(guó)科學(xué)院微生物研究所。
LB培養(yǎng)基、PDA培養(yǎng)基和PDB培養(yǎng)基等購(gòu)自于青島海博生物技術(shù)有限公司。PDB培養(yǎng)基(g/L):馬鈴薯浸粉6.0 g,葡萄糖20.0 g,PDA培養(yǎng)基另加入瓊脂20.0 g。LB培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨10.0 g,酵母浸粉5.0 g,氯化鈉10.0 g,瓊脂15.0 g。
T4連接酶試劑盒、高保真Taq酶等購(gòu)自于南京諾唯贊生物科技股份有限公司;過(guò)表達(dá)載體構(gòu)建質(zhì)粒pBARGPE1-Hygro購(gòu)自Addgene公司;限制性?xún)?nèi)切酶KpnⅠ和Eco RⅠ購(gòu)自NEB公司;氨芐、潮霉素B和溶菌酶購(gòu)自Sigma公司;裂解液:取0.15 g溶解酶(lysing enzyme,Sigma:L1412)溶于20 mL溶液Ⅰ(1.2 mol/L D-sorbitol,0.1 mol/L KH2PO4,pH 5.6),0.2μm濾膜過(guò)濾除菌。
1.4.1 TvTPS/TPP基因的克隆 參照真菌基因組提取試劑盒(E.Z.N.A Fungal DNA Kit,美國(guó)OMEGA公司)說(shuō)明書(shū)提取綠色木霉Tv-1511基因組DNA。以基因組DNA為模板,擴(kuò)增TvTPS/TPP基因的完整序列,擴(kuò)增引物為:TvTPS/TPPFL-Eco RⅠ-F:5′-CGGAATTCATGGCGCGTTATGAGTCTCTCT-3′和TvTPS/TPP-FL-KpnⅠ-R:5′-GGGGTACCTCACAACTCCTCCTCCGGAATGT-3′;擴(kuò)增體系(50μL):2×Phanta Master Mix 25μL,引物混合物4μL,基因組DNA 1 μL,ddH2O 20μL;擴(kuò)增程序?yàn)椋?5℃3 min;95℃15 s,60℃15 s,72℃2 min,30個(gè)循環(huán);72℃5 min。
1.4.2 DNA片段及表達(dá)載體雙酶切 將得到的TvTPS/TPP基因和載體pBARGPE1-Hygro用限制性?xún)?nèi)切酶KpnⅠ和Eco RⅠ(NEB公司)進(jìn)行雙酶切;對(duì)酶切產(chǎn)物利用1%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),利用DNA回收試劑盒(FastPure Gel DNA Extraction Mini Kit,南京諾唯贊生物科技股份有限公司)回收酶切后的DNA片段和線(xiàn)性化的pBARGPE1-Hygro質(zhì)粒。
1.4.3 過(guò)表達(dá)載體的構(gòu)建及轉(zhuǎn)化 DNA片段與表達(dá)載體的連接采用T4連接酶進(jìn)行,反應(yīng)體系(10μL):連接酶1μL,緩沖液1μL,pBARGPE1-Hygro線(xiàn)性化質(zhì)粒1μL,TvTPS/TPP基因片段3 μL,ddH2O 4μL。16℃過(guò)夜反應(yīng),取50μL DH5α感受態(tài)細(xì)胞與10μL連接體系混勻進(jìn)行質(zhì)粒轉(zhuǎn)化(冰上靜置30 min,42℃靜置90 s,冰上靜置5 min),轉(zhuǎn)化后涂布到含有100μg/mL氨芐青霉素的LB平板上;37℃培養(yǎng)12~20 h后,挑取菌落至含有100μg/mL氨芐青霉素的LB液體培養(yǎng)基上,37℃、200 r/min培養(yǎng)12~20 h后,送菌落PCR產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序驗(yàn)證。
1.5.1 原生質(zhì)體制備 接種綠色木霉Tv-1511于PDA平板,28℃培養(yǎng)10 d,待產(chǎn)生大量新鮮分生孢子,用10 mL生理鹽水(0.9% NaCl,0.05%Tween-20)洗滌菌絲表面,經(jīng)玻璃紙過(guò)濾,去除菌絲體得到孢子懸液;取200μL孢子懸液涂布于鋪有玻璃紙的PDA平板上,28℃避光培養(yǎng)24 h;將長(zhǎng)有菌絲的玻璃紙取出并反向貼在含有3~4 mL裂解液的平板上,于28℃、100 r/min條件下處理100 min;無(wú)菌超凈臺(tái)中將平板中的玻璃紙取出,確保大部分菌絲體保留在平板中,在此過(guò)程中可以用溶液Ⅰ沖洗玻璃紙上殘留的菌絲塊,利用槍頭反復(fù)吹吸,充分釋放內(nèi)部原生質(zhì)體;4層紗布過(guò)濾上述混合液,保留濾液并于4℃、2 000 r/min條件下離心10 min,棄上清,保留底部的原生質(zhì)體加1 mL溶液Ⅰ,再次離心,棄上清;加1 mL 4℃預(yù)冷的溶液Ⅱ(1 mol/L sorbitol,50 mmol/L CaCl2,10 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5),得到原生質(zhì)體;用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù),稀釋原生質(zhì)體至107個(gè)/mL。
1.5.2 原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化子篩選 冰上放置15 mL離心管,分別加入200μL原生質(zhì)體懸浮液、10μL純化的PCR產(chǎn)物、50μL PEG溶液(25% PEG6000,50 mmol/L CaCl2,10 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5),混勻,冰上放置20 min;加2 mL PEG溶液,輕輕混勻,常溫下放置5 min;加2 mL溶液Ⅱ,輕輕混勻;加2 mL混合液涂布在鋪有層析紙的含1 mol/L蔗糖PDA平板上;28℃避光培養(yǎng)24 h;將層析紙轉(zhuǎn)到含抗生素的PDA平板上,28℃避光培養(yǎng)36 h,待層析紙邊緣長(zhǎng)出菌落后,挑取菌落,轉(zhuǎn)接至新的抗生素平板上,培養(yǎng)2 d。
將木霉野生型和TvTPS/TPP過(guò)表達(dá)工程菌(TvTPS/TPP-OE)的孢子液分別接種于PDB培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)48 h,4層無(wú)菌紗布過(guò)濾獲得菌絲體,經(jīng)液氮充分研磨后,用Trizol法提取木霉菌總RNA,并反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA。采用熒光定量PCR檢測(cè)試劑盒(AceQ?qPCR SYBR Green Master Mix,南京諾唯贊生物科技股份有限公司)檢測(cè)TvTPS/TPP基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平,擴(kuò)增引物為T(mén)vTPS/TPP-qPCR-F:5′-TTCCTCCAGCAGCATCTT-3′和TvTPS/TPP-qPCR-R:5′-ACCTTGTCCGTGTATCTCT-3′。擴(kuò)增體系:SYBR Green Master Mix 10μL,引物混合液2μL,cDNA 3μL,ddH2O 5μL;反應(yīng)程序:95℃5 min,95℃10 s,60℃30 s。
離心收集菌絲體2 g,加入0.05 mol/L的磷酸二氫鉀-氫氧化鈉緩沖液10 mL,2%甲苯50℃處理30 min后超聲波破碎,離心收集上清液。
上清液中添加40 mmol/L的tricine(pH 7.6)、2 mmol/L的磷酸烯醇式丙酮酸以及20 U的丙酮酸激酶進(jìn)行催化反應(yīng),吸取200μL反應(yīng)液并加入0.15%孔雀綠、1%鉬酸銨和12.5%(v/v)的HCl。混合液充分反應(yīng)后于630 nm處利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)。TPS活性以在催化反應(yīng)中尿嘧啶核苷(UDP)的生成量來(lái)表示,TPP活性以在催化反應(yīng)中無(wú)機(jī)磷的釋放量來(lái)表示。
平板耐鹽試驗(yàn):PDA平板上活化木霉原始菌株和TvTPS/TPP-OE工程菌,28℃避光培養(yǎng)48~72 h,使原始菌株和工程菌長(zhǎng)勢(shì)均一,使用打孔器制備大小相同的菌塊并接種到含有300 mmol/L NaCl的PDA平板中央,置于28℃培養(yǎng)72 h后,測(cè)量菌落生長(zhǎng)直徑。
液體搖瓶耐鹽試驗(yàn):將200μL濃度為108個(gè)/mL木霉原始菌株和TvTPS/TPP-OE工程菌孢子液分別接種于PDB液體培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)48 h,兩層無(wú)菌紗布過(guò)濾獲得菌絲體。將等量菌絲體分別接種于含有300 mmol/L NaCl的PDB液體培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)72 h,收集菌絲體,測(cè)定菌體生物量。
平板耐熱試驗(yàn):PDA平板上活化木霉原始菌株和TvTPS/TPP-OE工程菌,28℃避光培養(yǎng)48~72 h,使菌株長(zhǎng)勢(shì)均一,使用打孔器制備大小相同的菌塊并轉(zhuǎn)移到新的PDA平板中央,分別置于35℃培養(yǎng)72 h后,測(cè)量菌落生長(zhǎng)直徑。
液體搖瓶耐熱試驗(yàn):將200μL木霉原始菌株和TvTPS/TPP-OE工程菌孢子液分別接種于PDB液體培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)48 h,兩層無(wú)菌紗布過(guò)濾獲得菌絲體。將等量菌絲體分別接種于新的PDB液體培養(yǎng)基中,35℃、180 r/min培養(yǎng)72 h,收集菌絲體,測(cè)定菌體生物量。
PDB液體培養(yǎng)基中加入30% PEG6000模擬干旱脅迫。將200μL木霉原始菌株和TvTPS/TPP-OE工程菌孢子液分別接種于PDB液體培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)48 h,兩層無(wú)菌紗布過(guò)濾獲得菌絲體。將等量菌絲體分別接種于含30% PEG6000的PDB液體培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)72 h,收集菌絲體,測(cè)定菌體生物量。
將200μL木霉原始菌株和TvTPS/TPP-OE工程菌孢子液分別接種于PDB液體培養(yǎng)基中,28℃、180 r/min培養(yǎng)48 h,兩層無(wú)菌紗布過(guò)濾獲得菌絲體。不同脅迫條件下培養(yǎng)72 h后,收集菌絲體,采用高效離子色譜法(HPIC)檢測(cè)菌絲體內(nèi)海藻糖含量。
運(yùn)用Origin 9.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和圖表制作,采用ANOVA法分析處理間的差異顯著性。
從綠色木霉(Trichoderma viride)Tv-1511基因組中鑒定出一個(gè)雙功能海藻糖合成酶的編碼基因TvTPS/TPP。通過(guò)前期對(duì)Tv-1511開(kāi)展的全基因組測(cè)序和精細(xì)基因組圖譜繪制工作(Gen-Bank Accession No.VCEC00000000;BioProject:PRJNA543939;BioSample:SAMN11791795),得到了TvTPS/TPP基因及其編碼蛋白的詳細(xì)信息。TvTPS/TPP(NCBIaccession number MZ417548)基因序列已提交到NCBIGenBank數(shù)據(jù)庫(kù)。TvTPS/將帶有酶切連接位點(diǎn)(EcoⅠR和KpnⅠ)的TvTPS/TPP基因進(jìn)行雙酶切,獲得一條2 625 bp的 DNA 片 段(圖 2);將 DNA 片 段 連 接pBARGPE1-Hygro載體,得到的表達(dá)載體pBARGPE1-Hygro-TvTPS/TPP大小為8 583 bp。重組過(guò)表達(dá)質(zhì)粒包含木霉啟動(dòng)子gpdA、終止子trpC、抗性篩選基因HygR以及TvTPS/TPP基因的完整序列(圖3)。
TPP蛋白的氨基酸序列包含trehalose-6-phosphate synthase(TPS)和trehalose-6-phosphate phosphatase(TPP)結(jié)構(gòu)域(圖1),具有海藻糖磷酸合成酶和海藻糖磷酸磷酸酯酶的雙重活性。
圖2 TvTPS/TPP基因克隆和pBARGPE1-Hygro-TvTPS/TPP載體構(gòu)建
通過(guò)PEG介導(dǎo)的木霉轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化質(zhì)粒,經(jīng)潮霉素篩選后獲得Tv-1511的陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子,并采用熒光定量PCR法檢測(cè)TvTPS/TPP的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。結(jié)果表明,與野生型菌株相比,過(guò)表達(dá)綠色木霉工程菌中TvTPS/TPP基因的表達(dá)顯著提高(圖4)。過(guò)表達(dá)TvTPS/TPP基因后,工程菌中TPS和TPP酶的活性也顯著高于野生型菌株(圖5)。
抗逆試驗(yàn)結(jié)果表明,300 mmol/L NaCl以及35℃高溫脅迫下,TvTPS/TPP過(guò)表達(dá)工程菌的平均直徑均比野生型菌株顯著增加(圖6A、B;圖7 A、B),生物量也顯著提高(圖6C、圖7C)。在30% PEG6000模擬干旱脅迫的環(huán)境下,TvTPS/TPP過(guò)表達(dá)工程菌的生物量比野生型菌株顯著提高(圖8)。
以上結(jié)果表明過(guò)表達(dá)TvTPS/TPP基因可顯著提高綠色木霉對(duì)高鹽、高溫和干旱逆境脅迫的耐受性。
圖3 TvTPS/TPP表達(dá)載體
圖4 綠色木霉工程菌中TvTPS/TPP基因轉(zhuǎn)錄水平
圖5 綠色木霉工程菌中TPS和TPP的活性
圖6 綠色木霉工程菌的耐鹽能力
圖7 綠色木霉工程菌的耐熱能力
圖8 綠色木霉工程菌的耐干旱能力
由圖9可知,在鹽脅迫、高溫脅迫以及干旱脅迫條件下,TvTPS/TPP過(guò)表達(dá)工程菌中海藻糖含量高于野生型菌株,說(shuō)明其對(duì)脅迫的耐受性增強(qiáng)。
對(duì)逆境脅迫下木霉菌株中TPS和TPP活性進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果(圖10)顯示,在鹽脅迫、高溫脅迫以及干旱脅迫條件下,TvTPS/TPP過(guò)表達(dá)工程菌表現(xiàn)更高的TPS和TPP活性。
圖9 逆境脅迫下綠色木霉工程菌中海藻糖含量
圖10 逆境脅迫下綠色木霉工程菌中TPS和TPP活性
海藻糖是一種不可或缺的生物代謝物[22,23],可在多種微生物和植物中抵御多種環(huán)境脅迫[24,25]。在極端非生物脅迫下,海藻糖作為膜、蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復(fù)合物的非滲透性活性氧清除劑和穩(wěn)定劑,是一種非常有效的保護(hù)劑[26]。Luo等[26]的研究證明了海藻糖對(duì)活性氧的直接清除能力,在熱脅迫下,海藻糖可以使小麥中過(guò)氧化氫含量顯著減少。Sadak等[23]的研究結(jié)果表明,鹽分脅迫顯著降低了小麥生長(zhǎng)參數(shù)(地上部干重和鮮重、地上部高度等),H2O2、脂質(zhì)過(guò)氧化和脂氧合酶(LOX)活性顯著增加;添加海藻糖后,增加了其他滲透保護(hù)劑的水平,如脯氨酸、游離氨基酸、葡萄糖和總可溶性糖,同時(shí)降低了H2O2、脂氧合酶活性和丙二醛(MDA)含量。
在酵母和絲狀真菌中,海藻糖是通過(guò)OtsAOtsB途徑(TPS/TPP途徑)合成的,海藻糖-6-磷酸合成酶TPS是海藻糖合成過(guò)程中的關(guān)鍵作用酶。海藻糖在酵母中的合成路徑基本已經(jīng)研究透徹,但在真菌中還未了解清楚。在釀酒酵母中,TPS是一種復(fù)合物,包括四個(gè)亞基(Tps1p、Tps2p、Tps3p、Ts11p)、兩種酶和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基[27];Tps1p和Tps2p活性在應(yīng)激條件下顯著增加。本研究中,在過(guò)表達(dá)TvTPS/TPP后,TvTPS/TPP的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平增高,海藻糖的含量也增加。
本試驗(yàn)從綠色木霉Tv-1511中克隆出了海藻糖磷酸合成酶和海藻糖磷酸磷酸酯酶的完整基因,構(gòu)建了TvTPS/TPP過(guò)表達(dá)載體pBARGPE1-Hygro-TvTPS/TPP,并且通過(guò)原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化將TvTPS/TPP基因轉(zhuǎn)入綠色木霉Tv-1511中;對(duì)工程菌株進(jìn)行了抗逆性試驗(yàn)和海藻糖含量的測(cè)定。結(jié)果顯示,在過(guò)表達(dá)TvTPS/TPP基因后,綠色木霉Tv-1511中海藻糖含量顯著增加,抵御高鹽、高溫和干旱脅迫的能力得到明顯提高,說(shuō)明TvTPS/TPP基因在綠色木霉Tv-1511的逆境脅迫方面起著重要作用。