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雞樅菌ITS區克隆、測序及其系統發育關系

2014-01-21 02:32:23郭莉娟何雪梅劉小艷鄒立扣
食品科學 2014年17期

龍 梅,郭 放,郭莉娟,何雪梅,劉小艷,李 蓓,羅 燕,鄒立扣,*

雞樅菌ITS區克隆、測序及其系統發育關系

龍 梅1,2,郭 放1,郭莉娟1,2,何雪梅1,2,劉小艷1,李 蓓1,羅 燕1,鄒立扣1,2,*

(1.四川農業大學資源與環境學院,四川 成都 611130;2.四川農業大學都江堰校區微生物學實驗室,森林資源保護與利用 實驗室,四川 都江堰 611830)

采集雞樅菌(Termitomyces)子實體,對其進行rDNA-ITS 區序列聚合酶鏈式反應擴增測序,利用MEGA5對rDNA-ITS不同區域作序列分析,并構建雞樅菌轉錄間隔區(internal transcribed spacer,ITS)系統發育樹。結果表明:在10種雞樅菌中,測序結果表明雞樅菌rDNA-ITS區長度在527~661 bp。系統發育樹表明,10種雞樅菌中,有8種雞樅菌各為一支,尖盾雞樅菌與球蓋白蟻傘聚為一支;待定種A1、E1、H1獨為一支,可能為新種;B1、G1、D1可能為谷堆雞樅菌;I1可能為根白蟻傘;ZZ1可能為粗柄雞樅菌;待定種C1不能明確。結果證明,ITS1及ITS1-5.8S rDNA-ITS2可用于雞樅菌進行種間系統發育樹的建立,但ITS1區構建的雞樅菌種間系統發育樹支持率最高,ITS2區可輔助進行某些待定種的鑒定。

雞樅菌;系統發育;ITS序列

雞樅菌(Termitomyces spp.)又稱傘把菇、蟻巢傘、雞絲菇等,屬傘菌目,口蘑科,是一種營養豐富,味道鮮美的珍貴野生食用菌。雞樅菌蛋白質含量高,含有多種微量元素,且具有抗氧化、鎮痛抗炎的作用[1-3]。多年來多次在西昌、巴中、洪雅、資中、大邑等地采集大量新鮮雞樅菌子實體,通過形態學鑒定對四川省雞樅菌種類進行記述[4]。在形態學及分子生物學的基礎上多次對雞樅菌及其內生真菌有過報道[5-7]。雞樅菌多糖、氨基酸含量均較高,本研究曾對10 種雞樅菌進行氨基酸含量的分析,發現其總氨基酸含量高達28.86%,必需氨基酸含量在7.08%~10.20%[8-9]。

雞樅菌因其與白蟻共生關系的復雜性,目前尚未能成功馴化栽培[10]。因此,從其他途徑分析雞樅菌的生長有重要意義。近年來,分子生物學的方法越來越多地應用于真菌的系統學研究及分類鑒定中。但是,對于雞樅菌的系統學研究,國外僅少數報道,國內僅個別報道。Rouland-Lefevre等[11]首次采用分子生物學手段對雞樅菌及與其共生的白蟻種群轉錄間隔區(internal transcribed spacer,ITS)結合分析,建立雞樅菌屬與其共生系統(白蟻)之間的進化關系,發現雞樅菌種群是單源進化的,屬于口蘑科(Tricholomataceae)。經對蟻巢傘的系統發育樹和大白蟻亞科的生物分類樹進行比較發現,在一定條件下,雞樅菌和白蟻是協同進化的。Fr?slev等[12]對Nlsu-rDNA和mtSSU-rDNA序列經Bayesian、Maximum Likelihood及最大簡約性分析,討論了雞樅菌屬與相關類群之間及雞樅菌屬種間的系統發育關系,發現雞樅菌是一個自然單系群。付子艷等[13]經分子系統學對云南產雞樅進行ITS區分析,云南雞樅菌也是自然單系群,發現華雞樅菌屬真菌與雞樅菌屬真菌有較密切的親緣關系。四川省是國內雞樅菌的主要產地之一,對四川雞樅菌的分類及分子發育等研究具有重要意義。本實驗共收集了四川省內10多種雞樅菌,確定種類有10 種,據報道目前全世界已知雞樅菌有25 種[7],占世界種類的40%。本實驗對雞樅種內進行系統發育關系的研究,構建系統發育樹,弄清雞樅菌進化關系,旨在為雞樅菌的進一步馴化栽培提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 雞樅菌的采集與鑒定

雞樅菌子實體采集時間為每年的6—9月,采集地為西昌、洪雅、資中、大邑、巴中。采集時拍攝照片,記錄雞樅菌子實體顏色,描述雞樅菌形態學特征,包括其菌柄長度,菌柄直徑,菌蓋周長等。測量其根部距蟻巢的距離、蟻巢處土壤pH值、周圍植被環境。樣品采集后在室外接種,并用冰袋進行保鮮,送回實驗室。實驗室內對雞樅菌子實體和產生的孢子進行觀察,結合野外記錄和參考資料[14]確定雞樅菌種類。

1.1.2 試劑

真菌通用引物ITS4/ITS5 生工生物工程(上海)股份有限公司;DNA分子質量標準DL2000、Taq DNA聚合酶 寶生物工程(大連)有限公司;小量膠回收試劑盒天根生化科技(北京)有限公司。

1.1.3 儀器與設備

JSM-5900LV型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社;Eppendorf 5804R高速冷凍離心機、Eppendorf Bio-Photometer核酸蛋白儀 德國Eppendrof公司;凝膠成像系統、電泳儀 美國 Bio-Rad公司;Leica顯微鏡 德國Leica公司;水浴鍋 上海佑柯儀器設備有限公司;小型渦旋振蕩器 德國IKA公司。

1.2 雞樅菌孢子形態特征

獲得雞樅菌孢子后,用掃描電子顯微鏡觀察其孢子形態,取孢子置于蓋玻片上,加4%戊二醛2滴固定5~10 min,用濾紙吸掉多余的水分,自然干燥[15]。在真空10 Pa,電流15 mA,時間80 s的條件下,用Hitachi離子濺射儀噴金提高樣品導電性。用JSM-5900LV型掃描電鏡,加速電壓20 kV。

1.3 雞樅菌子實體總DNA的提取

采用改良二次沉淀法[16]提取雞樅菌子實體總DNA。將采集自蟻巢上方的新鮮子實體用滅菌蒸餾水沖洗2~3 次后,用無菌手術剪剪取菌柄,液氮研磨2~3 次,提取DNA。將自然風干的DNA用滅菌超純水溶解,用核酸蛋白儀測定其總DNA濃度,經1%瓊脂糖凝膠電泳檢查其DNA質量,置于-20 ℃冰箱保存備用。

1.4 ITS區聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)擴增、克隆、測序

取出備用總D NA,采用真菌通用引物I T S 4(5’-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3’)和ITS5(5’- GGAAGTAAAAGTCGTAACAAG-3’)進行菌絲體DNA ITS區擴增。擴增體系為50 μL:40.5 μL無菌超純水,5 μL 10×Taq Reaction Buffer(含Mg2+),1 μL 10 mmol/L dNTP,1 μL ITS4,1 μL ITS5,1 μL DNA模板,0.5 μL Taq DNA 聚合酶。反應參數:94 ℃預變性5 min;94 ℃變性1 min、52 ℃退火50 s、72 ℃延伸1 min,30 個循環;72 ℃延伸10 min。擴增產物經1%凝膠電泳檢測后回收,連接pMD19-T載體,大腸桿菌JM109感受態細胞轉化,進行藍白斑篩選和菌落PCR鑒定后送生工生物工程(上海)股份有限公司測序,利用Clustal X 軟件對測序結果進行比對分析。

1.5 ITS區序列及系統發育分析

將測序ITS區序列在GenBank中BLAST比對,選取其中相關序列,利用DNAstar軟件分析ITS區序列特征,用Clustal X(ftp://ftp-igbmc.u-strasbg.fr/pub/Clustal X/)對ITS區序列不同基因片段進行比對對齊,ITS區序列結構如圖1所示。以MEGA5(http://www.gegasoftware.net/)分析序列的堿基組成及計算遺傳距離等,構建Neighbor-Joining系統發育樹,Kimura雙參數法計算核算距離,Bootstrap=1 000。

圖1 ITS區示意圖Fig.1 Schematic representation of ITS region

2 結果與分析

2.1 雞樅菌孢子特征

光學顯微鏡及電鏡鏡檢發現,各種雞樅菌孢子形態、大小無差異。在光學顯微鏡下,觀察到雞樅菌孢子呈橢圓形、外緣光滑,萌發時在橢圓形的一頭形成小尖(圖2a)。在掃描電子顯微鏡下,觀察到雞樅菌孢子呈不規則橢球形,測定短直徑在3~4 μm,長直徑5~7 μm,表面不光滑,有顆粒狀物質附著(圖2b)。

圖2 雞樅菌孢子形態Fig.2 Morphology of Termitomyces spores

2.2 雞樅菌種類

圖3 部分雞樅菌子實體形態Fig.3 Photographs of fruit bodies of some Termitomyces spp.

根據形態學特征[4]、孢子鏡檢及ITS區序列結果鑒定雞樅菌種類主要有以下幾種:普通雞樅菌(T. albuminosus)、粗柄雞樅菌(T. rodustus)、小雞樅菌(T. microcarpus)、谷堆雞樅菌(T. heimii)、端圓白蟻傘(T. tyleranus)、根白蟻傘(T. eurrhizus)、尖盾白蟻傘(T. clypentus)、裂紋白蟻傘(T. schimperi)、球蓋白蟻傘(T. globules)、烏黑白蟻傘(T. badius)及9 個待定種雞樅菌。其中測得雞樅菌菌柄長度在5~52 cm,菌柄直徑在0.5~15 cm,菌蓋直徑在2.1~38 cm,測得蟻巢pH值在5.9~6.5。部分雞樅菌種類如圖3所示。

2.3 測序結果及序列分析

使用引物ITS4/ITS5對雞樅菌總DNA進行擴增,在600~700 bp處得到明亮清晰的條帶,送生工生物工程(上海)股份有限公司測序后分析其序列特征。GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中下載雞樅菌ITS區序列,與本研究種類比較,使用ITS區序列構建系統發育樹的菌株來源如表1所示。ITS不同區域長度、GC含量等詳細情況如表2所示。結果表明不同種類雞樅菌ITS區序列長度不等,其中ITS區最長的雞樅菌(小雞樅)與ITS區最短的雞樅菌(待定種E1)相差134 bp,其余雞樅菌ITS區序列在527~661 bp變化。

ITS1區差異較大,長度在155~248 bp,其中小雞樅菌菌(T. microcarpus)和端圓白蟻傘(T. tyleranus)最長,為248 bp。小雞樅GC含量最高,達到56.85%,其他雞樅菌GC含量均在40.65%~56.85%變動。

ITS2區各種間差異較小,長度在202~251 bp之間,其中,小雞樅(T. microcarpus)和待定雞樅菌(A1)最長,為251 bp。待定雞樅菌(G1)GC含量最高,達到52.00%,其他雞樅菌在43.07%~52.00%變動。

5.8 S區相對保守,各種間長度在156~162 bp。但GC含量有較大差異,在42.00%~55.35%變動,其中待定種(A1)達到最高,為55.35%。ITS區各區GC含量的變化,可能與各區的堿基長度有關。

表1 用ITS區序列構建系統發育樹的菌株來源Table 1 Origins of the ITS sequences used for the establishment of phylogenetic tree

表2 ITS區堿基組成及GC含量分析Table 2 Nucleotide composition and GC contents of rDNA ITS1 and ITS2 sequences of Termitomyces

生物信息學軟件分析表明,雞樅菌種類多樣性及差異主要體現在ITS1區和ITS2區,由圖4可知,不同雞樅菌在ITS1及ITS2區不同部位出現序列缺失情況不一,因此,可重新設計不同引物進行雞樅菌種間的PCR鑒定。

圖4 部分雞樅菌rDNA-ITS缺失序列Fig.4 Partial sequences of the missing region of rDNA-ITS in Termitomyces

2.4 雞樅菌系統發育分析

基于ITS1-5.8S rDNA-ITS2區全序列構建系統發育樹表明,雞樅菌形成兩個進化組(圖5a),小雞樅菌和端圓白蟻傘聚為一組,Bootstrap(即支持率)值為64%;其余雞樅菌及待定雞樅菌聚為一大支,Bootstrap值為73%。在這一大支中,待定種H1、普通雞樅菌、粗柄雞樅菌、待定種ZZ1聚為一小支,其Bootstrap值均大于67%,最高為87%。剩下的雞樅菌聚為另一支,最高Bootstrap值為99%,最低為40%。

基于ITS1區序列構建系統發育樹表明,雞樅菌形成兩個進化組(圖5b),小雞樅菌和端圓白蟻傘聚為一支,Bootstrap值為99%。其余雞樅分化為3 支,其中標準株AB073506獨為一小支;烏黑白蟻傘、待定種H1、普通雞樅菌、待定種I1、粗柄雞樅菌聚為一小支,最高Bootstrap值為93%;剩余雞樅菌聚為第三小支,最高Bootstrap值為10v0%,最低為 36%。

基于ITS2區序列構建系統發育樹表明,由小雞樅菌最先開始進化(圖5c),后分為兩級進化,烏黑白蟻傘獨為一級;余下雞樅菌再分為兩大級進行進化,其中普通雞樅菌、待定種I1、H1、粗柄雞樅菌為第一級進化,剩余雞樅菌逐級進化,除個別Bootstrap值較高外,普遍Bootstrap值較低。

綜上所述,在種間關系中,小雞樅菌與端圓白蟻傘親緣關系較近,且由小雞樅菌開始進化;烏黑蟻巢傘、普通雞樅菌、粗柄雞樅菌及待定種H1、ZZ1、I1 之間親緣關系較近;待定種A1、B1、C1、D1、G1、E1及谷堆雞樅菌、裂紋白蟻傘、尖盾雞樅菌、球蓋白蟻傘親緣關系較近。在各區系統發育樹中,ITS1及ITS1-5.8S rDNA-ITS2可用于雞樅菌進行種間系統發育樹的建立,但ITS1區系統發育樹支持率最高,與全序列構建的系統發育樹較為一致,可用于分析雞樅菌種間差異;ITS2區支持率一般,可輔助進行某些待定種的鑒定。

圖5 基于rDNA-ITS 不同區域的系統發育樹Fig.5 Phylogenetic tree based on the sequences of rDNA-ITS region

3 結論與討論

雞樅菌為一種珍貴的野生實用菌,雞樅菌營養價值高,主要分布在我國四川、云南、貴州等省的山區,每年6—9月采摘。近年來,由于其多糖的免疫功能及降血脂、抗腫瘤等作用的發現,吸引了大批學者對其多糖的注意[17-20]。但雞樅菌因其與白蟻復雜的共生關系,不能人工栽培,資源不能廣泛供應,故實現雞樅菌的人工馴化栽培,具有重要意義。本實驗用真菌鑒定的常規方法進行子實體形態特征觀察和顯微鏡鑒定,根據卯曉嵐[14]的分類描述,鑒定出10 個種,有2 個樣品根據形態學描述及顯微鏡觀察并不能將其準確歸類,另有7個樣品在采樣時因形態描述資料缺乏,均歸為待定種。本實驗為雞樅菌的系統發育關系作了闡明,旨在弄清雞樅菌進化關系,獲得新的途徑找到解決問題的方法。

結果表明,雞樅菌ITS區GC含量與其堿基長度存在一定關系(表2),小雞樅菌、粗柄雞樅菌及普通雞樅菌在ITS1區GC含量均較其他雞樅高,最高為56.85%,可見GC含量分析能夠提供系統發育信息[15]。基于ITS1-5.8S rDNA-ITS、ITS1、ITS2區不同區段對10 種確定種雞樅菌及9 種待定雞樅菌進行種間發育關系進行研究,結果表明ITS1-5.8S rDNA-ITS2全序列系統發育樹支持率較高,但ITS1支持率最高,結合其GC含量及堿基長度的情況能清晰的顯示雞樅種間的差異,能夠應用于建立雞樅菌種間系統發育樹,ITS2區系統發育樹支持率不高,可進行輔助分析。在ITS1-5.8S rDNA-ITS2區各區建立的系統發育樹均可將雞樅菌各種進行區分,可見能利用ITS1-5.8S rDNA-ITS2區及各區進行雞樅菌種間鑒定及其進化發育關系的研究。

系統發育樹結果表明,尖盾雞樅菌(T. clypeatus)與GenBank中下載的標準株T. clypeatus(FJ147329、FJ147331)并不聚攏一支,其ITS區差異也較大,尖盾雞樅菌ITS區長度為538 bp, FJ147329、FJ147331兩標準株ITS區分別為510、514 bp。可能是不同國家在對雞樅菌進行種間判定的標準不同,導致了不同的結果,使其在分子系統發育樹中不能聚攏。而尖盾雞樅菌在系統發育樹中總是與球蓋白蟻傘聚為一支,說明在分子水平上的鑒定并不能將這兩種雞樅進行區分,有待找出新的途徑對兩種雞樅菌進行鑒定區分。9 個待定種中,A1、E1、H1 各為一支,可能為新種;B1、G1、D1為可能為谷堆雞樅菌;C1與尖盾雞樅菌及球蓋白蟻傘聚為一支,暫不能明確;I1 為根白蟻傘;ZZ1為粗柄雞樅菌的可能性較大。待定種的確定,表明由ITS1-5.8S rDNA-ITS2 區及各區進行雞樅菌種間鑒定及其系統發育關系的研究是可行的。

根據前期研究,比較雞樅菌的形態特征及生長環境[4],雞樅菌的聚類可能與生長環境、生長方式、生長地域及共生白蟻種類有關。谷堆雞樅菌、球蓋白蟻傘、根白蟻傘、裂紋雞樅菌、尖盾雞樅菌及待定雞樅菌聚為一大支,其采集地主要為西昌及巴中,均喜生長在混交林地或淺草地中,在形態特征上,如菌蓋直徑、菌柄長度等的差異較小。端圓白蟻傘與小白蟻傘聚為一大支,其采集地分別為巴中、西昌,喜夏季生長在落葉林地中,且均為群生、數量較多。粗柄雞樅菌、尖盾雞樅菌及普通雞樅菌聚為一大支,采集地為資中、西昌,其生長環境差異較大,其中粗柄雞樅菌喜生長在林緣草地或空曠處,尖盾雞樅菌喜秋季生長在闊葉林下,普通雞樅菌喜混交林地草坡,其聚類可能與共生白蟻種類有關[11]。

本實驗利用10 種雞樅菌及9 種待定雞樅菌,構建四川省雞樅菌系統發育樹,因其種類占世界已知種類的40%,故深具代表性,有利于弄清四川省雞樅菌進化關系,了解雞樅菌生長發育過程。在四川各地采集雞樅菌子實體,提取其總DNA進行ITS區的PCR擴增,結果發現不同種雞樅菌ITS區長度不等,在527~661 bp,不同種長度不一,在分子水平上揭露了雞樅菌的遺傳多樣性,為雞樅菌種類序列多樣性增添了新內容,提供了多種雞樅菌ITS區序列信息,有利于雞樅菌進行分子水平上的種間鑒定,構建了基于rDNA-ITS1不同區域的系統發育樹,為四川雞樅菌系統發育研究提供理論基礎。

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Cloning, Sequencing and Phylogenetic Relationships of ITS Region of rDNA from Termitomyces

LONG Mei1,2, GUO Fang1, GUO Li-juan1,2, HE Xue-mei1,2, LIU Xiao-yan1, LI Bei1, LUO Yan1, ZOU Li-kou1,2,*
(1. College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2. Laboratory of Microbiology, Laboratory of Forestry Resource Conservatio n and Utilization, Dujiangyan Campus of Sichuan Agricultural University, Dujiangyan 611830, China)

The fruit bodies of Termitomyces were collected, and total DNA was extracted as the tem plate to amplify internal transcribed spacer (ITS). Subsequently, the PCR products were sequenced, and the phylogenetic tree of Termitomyces was established based on different parts of ITS region by the MEGA5 software. The results showed that the rDNA-ITS region of 10 different species of Termitomyces was between 527 bp and 661 bp in length. The phylogenetic tree showed that there were eight branches of Termitomyces. T. clypeatus and T. globules were gathered together. The unknown species A1, E1 and H1 which were in a single branch may be new species. B1, G1, and D1 could be identified as T. heimii. In addition, I1 could be T. eurrhizus, and ZZ1 could be T. robustus. However, C1 could not be determined based on the present study. The results showed that the region of ITS1 and ITS1-5.8S rDNA-ITS2 could be used to build the phylogenetic tree for interspecific Termitomyces. The phylogenetic tree of ITS1 had a significantly higher supporting rate, and the ITS2 could be helpful for the confirmation of some unknown species. Therefore, this work has laid a foundation for the classification system of Termitomyces and provided ITS region sequence information for the identification at the molecular level.

Termitomyces; phylogenetic tree; ITS region

TS255.1

A

1002-6630(2014)17-0186-06

10.7506/spkx1002-6630-201417036

2013-04-19

龍梅(1991—),女,碩士研究生,研究方向為微生物分子生物學。E-mail:longzm1110@163.com

*通信作者:鄒立扣(1979—),男,教授,博士,研究方向為微生物分子生物學、細菌耐藥性。E-mail:zoulk124@163.com

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