耐高溫酒精酵母的篩選及26SrDNA序列鑒定

李 艾

(唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

耐高溫酒精酵母的篩選及26SrDNA序列鑒定

李 艾

(唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

將從不同地點(diǎn)采集到的樣品分離后得到127株酵母菌，再經(jīng)過四級(jí)篩選得到1株耐高溫酒精酵母，將其命名為A27，利用26SrDNA的D1/D2區(qū)域序列分析法對(duì)其進(jìn)行分子鑒定，結(jié)果顯示與報(bào)道的釀酒酵母26SrDNA同源性為99%，由此在分子水平上驗(yàn)證了A27菌株為酵母屬的釀酒酵母。

高溫；酒精酵母菌；分離篩選；鑒定

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)和能源危機(jī)意識(shí)逐步增強(qiáng)，用燃料酒精替代汽油逐漸受到重視，發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精也日益受到關(guān)注[1]。但是，燃料酒精生產(chǎn)行業(yè)在我國(guó)存在耗能大、發(fā)酵生產(chǎn)強(qiáng)度低等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高。若能通過選育耐高溫酒精酵母菌株，利用其發(fā)酵生產(chǎn)酒精，實(shí)現(xiàn)濃醪酒精發(fā)酵，則發(fā)酵強(qiáng)度將會(huì)大大提高，能耗隨之降低，污染也會(huì)減少，綜合經(jīng)濟(jì)效益增加[2-4]。

菌株的初篩工作以量為主，質(zhì)量結(jié)合，既要求有大的處理量，又要求有一定的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性越高越可以節(jié)省以后的復(fù)篩工作量。多數(shù)情況下，酵母菌和細(xì)菌或霉菌混合在一起，因此，必須用富集培養(yǎng)法收集酵母菌，并且抑制細(xì)菌和霉菌的生長(zhǎng)。通常在培養(yǎng)基中加入一些氯霉素或者青霉素抑制細(xì)菌，加入適量去氧膽酸鈉[5]或者孟加拉紅抑制真菌，這樣則可從發(fā)酵基質(zhì)中直接分離酒精酵母，這是一種簡(jiǎn)便易行且成本低的育種方法。馬立安從高溫玉米醪酒精發(fā)酵液中取樣，通過富集培養(yǎng)，高溫馴化與篩選，得到2株優(yōu)良菌株，發(fā)酵率分別為73.6%和74.2%[6]。曹俊峰從甜高粱汁中分離到1株高產(chǎn)酒精酵母菌株，適用于甜高粱汁酒精發(fā)酵，酒精產(chǎn)量最高達(dá)12.8%(v/v)。由于高溫可增加酒精對(duì)酵母的毒性，所以選擇耐高溫酵母菌來提高酵母的酒精耐性[7]。

觀察形態(tài)和生理特征是酵母菌的常規(guī)鑒定方法。但是酵母菌主要的存在形式為單細(xì)胞，對(duì)其形態(tài)特征的觀察有限，主要以生理學(xué)特征對(duì)酵母菌進(jìn)行種級(jí)水平上的分類。然而，生理學(xué)特征表現(xiàn)的都是表型性狀，不能夠反映種屬間的親緣關(guān)系。隨著DNA序列分析技術(shù)的日益成熟和簡(jiǎn)易化，分析酵母菌的rDNA及其ITS序列愈來愈多地應(yīng)用于酵母菌的分子系統(tǒng)學(xué)和分子分類學(xué)的研究中。

酵母菌的鑒定目前國(guó)際上通常用26SrDNA的D1/D2區(qū)域進(jìn)行序列分析。趙麗麗等人利用26SrDNA的D1/D2區(qū)域序列分析法，對(duì)從葡萄、蘋果、梨、棗、黃豆醬、酸菜、荔枝、橙子、干酵母、自發(fā)粉中分離得到的l8株酵母進(jìn)行鑒定，并與基因庫(kù)中基因序列進(jìn)行了同源性比較[8]。白逢彥、陸惠中等人從陜西秦嶺地區(qū)的葉和果實(shí)等不同基物上分離得到子囊菌酵母262株，并利用26SrDNA的D1/D2區(qū)域序列分析法同時(shí)結(jié)合形態(tài)學(xué)特征對(duì)這些菌株進(jìn)行了分類學(xué)研究[9]。白逢彥、賈建華等人對(duì)根據(jù)常規(guī)形態(tài)和生理生化性狀難以確定分類學(xué)地位的8株假絲酵母菌，進(jìn)行了以大亞基26SrDNA中D1/D2區(qū)域堿基序列分析為依據(jù)的分子分類學(xué)研究，確定了各個(gè)菌株的歸屬[10]。楊艷艷等人通過26SrDNA的D1/D2區(qū)域基因序列分析鑒定了1株分離于堿性工業(yè)污水池的耐堿酵母[11]。

因此，本文擬對(duì)從不同地點(diǎn)采集到的樣品進(jìn)行酵母的分離、篩選，并利用26SrDNA的D1/D2區(qū)域序列分析法對(duì)最終得到的酵母進(jìn)行分子鑒定，由此來實(shí)現(xiàn)耐高溫酒精酵母的選育研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 培養(yǎng)基

富集培養(yǎng)基：含酒精(10%)麥芽汁(10°Brix)；一級(jí)篩選培養(yǎng)基：YPD固體培養(yǎng)基；二級(jí)篩選培養(yǎng)基：TTC上層培養(yǎng)基、TTC下層培養(yǎng)基(YPD固體培養(yǎng)基)；三級(jí)篩選培養(yǎng)基：麥芽汁培養(yǎng)基添加杜氏小管；四級(jí)篩選培養(yǎng)基：麥芽汁培養(yǎng)基。

1.1.2 生化試劑

山梨醇、醋酸鉀、鹽酸、無(wú)水異丙醇、Na2EDTA、Tris、SDS、RNaseA、消解酶100T、Taq DNA聚合酶(上海生工)、Agarose Gel DNA Purification Kit Ver2.0回收試盒、DNA Marker(大連寶生物TaKaRa公司)、DNA測(cè)序(上海生工完成)、PCR引物(上海生工合成)。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

Whatman T Gradient基因擴(kuò)增儀(PCR儀)、DXY-33A型電泳儀、UVIpro凝膠成像系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酵母菌的分離

將樣品加入到麥芽汁中增菌2 h，再分別加入到富集培養(yǎng)基中，30 ℃培養(yǎng)24～72 h，鏡檢觀察是否有活菌存在，若有，則取1 mL接入一級(jí)篩選培養(yǎng)基中，30 ℃培養(yǎng)24～72 h，選擇具有典型酵母菌菌落特征的單菌落。

1.2.2 酵母菌篩選

(1)酵母菌一級(jí)篩選

在YPD液體培養(yǎng)基中依次接入分離得到的各菌株，45 ℃培養(yǎng)24 h，觀察其生長(zhǎng)情況，篩選出在高溫條件下能快速生長(zhǎng)的菌株。

(2)酵母菌二級(jí)篩選

TTC法：TTC(2，3，5-氯化苯基四氮唑)是一種常用的顯色劑，它通過發(fā)生呈色反應(yīng)反映出酵母的代謝產(chǎn)物，可以通過它判斷酵母中呼吸酶活力的大小，即酵母產(chǎn)酒精能力的高低[12]。在TTC下層培養(yǎng)基的平板中接入經(jīng)過一級(jí)篩選得到的各菌株，36 ℃培養(yǎng)48 h，當(dāng)菌落長(zhǎng)出后再倒上TTC上層培養(yǎng)基，在陰暗處保溫2～3 h。對(duì)各菌株產(chǎn)酒精能力進(jìn)行比較。初篩出性狀優(yōu)良的酵母菌株。

(3)酵母菌三級(jí)篩選

在帶有杜氏小管的麥芽汁液體試管中分別接入二級(jí)篩選出的酵母菌，不同溫度下培養(yǎng)，分別觀察杜氏小管中在12 h，24 h和48 h產(chǎn)氣情況。

(4)酵母菌四級(jí)篩選

麥芽汁發(fā)酵法：將三級(jí)篩選出的菌株活化，在40 ℃條件下麥芽汁發(fā)酵，記錄每日失重情況，待發(fā)酵結(jié)束時(shí)計(jì)算總失重。復(fù)篩得到性狀最為優(yōu)良的菌株。

1.2.3 酵母菌分子生物學(xué)鑒定

酵母總DNA提取：參照《分子克隆實(shí)驗(yàn)指南》(第三版)[13]提取總DNA。

引物設(shè)計(jì)：參照Kurtzman和Robnett[14]的方法，用引物NL1(5′-GCA TAT CAA TAA GCG GAG GAA AAG-3′)和NL4(5′-GGT CCG TGT TTC AAG ACG G-3′)通過PCR儀擴(kuò)增供試菌株26SrDNA近5′端的D1/D2區(qū)域。

PCR擴(kuò)增條件：36循環(huán)，94 ℃，1 min；53 ℃，1 min；72 ℃，1 min 20 s；72 ℃，5 min。PCR產(chǎn)物4 ℃保存，將2%瓊脂糖凝膠(含EB0.5 μg/mL)于3 V/cm電壓下電泳，記錄凝膠成像結(jié)果。

產(chǎn)物鑒定：對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行膠回收，由上海生工測(cè)序，測(cè)序結(jié)果輸入Genebank中比對(duì)同源性。

2 結(jié)果與分析

2.1 酵母菌分離結(jié)果

來自不同地區(qū)不同地點(diǎn)的20份采集樣品，共分離得到127株酵母菌，結(jié)果見表1。

從分離到的酵母菌數(shù)量可看出，果園土壤和腐敗水果中分離得到的數(shù)量較多。這是因?yàn)橥寥乐形⑸镔Y源豐富，腐敗水果的環(huán)境適宜酵母的生長(zhǎng)，但因其周圍環(huán)境溫度偏低，所以分離到的能耐高溫的菌株可能較少。米曲霉、黑曲霉發(fā)酵基質(zhì)，米酒、黃酒發(fā)酵醪和白酒廠高溫大曲、酒糟中菌相復(fù)雜，含有的微生物種類較多，分離到的酵母菌株較少，但因發(fā)酵過程中環(huán)境溫度偏高，所以有可能分離到能耐高溫的菌株。

2.2 酵母菌的篩選結(jié)果

2.2.1 一級(jí)篩選結(jié)果

將127株酵母分別制成菌懸液，在45 ℃下培養(yǎng)24 h，篩選出35株生長(zhǎng)較快的菌株，作為二級(jí)篩選的出發(fā)菌株。

2.2.2 二級(jí)篩選結(jié)果

將一級(jí)篩選得到的35株酵母分別制成菌懸液，用接種針接種到TTC下層平板上，每個(gè)平板接酵母4-8株，待36℃培養(yǎng)48 h菌落長(zhǎng)出后，倒入10 mL上層培養(yǎng)基，將菌落覆蓋，避光保溫2～3 h之后，比較各菌株間顏色的深淺。菌株顏色深表明呼吸酶活力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的產(chǎn)酒精能力。記下每一平板中顏色較深的菌株1-2株，共得到18株酵母菌作為三級(jí)篩選的出發(fā)菌株。

表1 酵母菌分離結(jié)果

2.2.3 三級(jí)篩選結(jié)果

將二級(jí)篩選得到的18株性狀較好的菌株進(jìn)行三級(jí)篩選。將酵母菌接入麥芽汁中，分別在36 ℃，38 ℃，40 ℃，42 ℃，44 ℃下培養(yǎng)，并且在12 h，24 h和48 h觀察杜氏小管中產(chǎn)氣情況，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，其產(chǎn)氣結(jié)果見表2。

表2 酵母菌三級(jí)篩選的產(chǎn)氣結(jié)果

2712+++++++--24++++++++++++48+++++++++++++7812+----24+++---48++++++--8912+++---24+++++---48+++++++--9712++++--24++++++++-48++++++++++-11512+++---24++++++++-48+++++++++-9912+++---24+++++---48+++++++--10512+++++--24+++++++++-48++++++++++-10212+++++--24+++++++++48+++++++++++++4212++----24++++---48++++---

注：根據(jù)杜氏小管中產(chǎn)氣多少分為5個(gè)等級(jí)：“++++”表示杜氏小管中充滿氣體；“+++”表示杜氏小管中充滿3/4氣體；“++”表示杜氏小管中充滿1/2氣體；“+”表示杜氏小管中充滿1/4氣體；“-”表示杜氏小管中沒有氣體。

其中編號(hào)為7，13，27，29，59，71，86，97，102，105，115的菌株在42 ℃的高溫條件下產(chǎn)氣較多，可以作為四級(jí)篩選的出發(fā)菌株。從菌株來源分析，7，13，27來自白酒廠的高溫大曲、酒糟；105，115來自酒精廠、啤酒廠發(fā)酵醪；29，71，102來自米酒、黃酒發(fā)酵醪；97，59來自米曲霉、黑曲霉發(fā)酵基質(zhì)；86來自蘋果園和葡萄園的土壤。菌株中的90%來自酒曲，自然環(huán)境的占到總數(shù)的10%。說明從自然環(huán)境中不宜篩選到耐高溫酵母，這可能與自然環(huán)境溫度偏低有關(guān)。而高溫大曲、酒糟由于發(fā)酵過程中溫度高，同時(shí)周圍環(huán)境溫度也偏高，所以從中分離耐高溫酵母菌株的可能性更大。

2.2.4 四級(jí)篩選結(jié)果

將三級(jí)篩選得到的11株酵母菌活化后接入200 mL麥芽汁進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，使活菌濃度達(dá)到1×107個(gè)/mL，40 ℃培養(yǎng)72 h。結(jié)果見表3。

表3 四級(jí)篩選的發(fā)酵結(jié)果

發(fā)酵結(jié)果顯示，27號(hào)酵母的酒精體積分?jǐn)?shù)比較高，達(dá)到6.1%(v/v)，殘?zhí)禽^低，僅殘留0.451%，且發(fā)酵力72 h失重為14.58 g。綜合考慮，最終發(fā)酵用菌株采用27號(hào)菌株，編號(hào)為A27。

2.3 分子鑒定實(shí)驗(yàn)

2.3.1 26SrDNA的D1/D2區(qū)域擴(kuò)增

利用NL1和NL4一對(duì)引物對(duì)A27酵母26SrDNA近5′端的D1/D2區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增，得到約600 bp的目的片段，片斷大小與已報(bào)道的片斷大小(500～600 bp)相符，結(jié)果見圖1。

圖1 擴(kuò)增26SrDNA的D1/D2區(qū)域電泳圖

2.3.2 測(cè)序結(jié)果與同源性比對(duì)

將擴(kuò)增出的PCR產(chǎn)物經(jīng)DNA純化試劑盒純化，由上海生工測(cè)序，將測(cè)序結(jié)果在Genebank的BLAST上進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果顯示，該序列與報(bào)道的釀酒酵母26SrDNA近5′端的D1/D2區(qū)域的同源性達(dá)到99%，因此在分子水平上進(jìn)一步驗(yàn)證了A27菌株為酵母屬的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。

3 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)是在含有合適酒精濃度的培養(yǎng)基中培養(yǎng)酵母細(xì)胞，待酵母菌長(zhǎng)出后，再在高溫的條件下培養(yǎng)，通過三級(jí)篩選得到在高溫下生長(zhǎng)快速且良好的菌株，此過程中酒精起到了抑制或減緩霉菌和細(xì)菌生長(zhǎng)的作用，使酵母菌呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。說明利用一定濃度的酒精既可分離得到酵母又可以篩選出耐高溫的酵母，并且初篩工作量大幅度減輕，能夠滿足篩選要求。

(2)從不同的環(huán)境中都可以分離得到酵母菌，普通酵母隨處可得，但極端酵母則只生活在特殊的環(huán)境中。高溫大曲的溫度可高達(dá)60 ℃，為篩選到耐高溫菌株提供了條件。因此，本實(shí)驗(yàn)最終從高溫大曲中選育出的酒精酵母A27，具有一定的耐高溫能力，在54 ℃的高溫下仍可生長(zhǎng)。

(3)利用PCR技術(shù)擴(kuò)增A27菌株26SrDNA近5′端的D1/D2區(qū)域，將測(cè)序結(jié)果進(jìn)行BLAST比對(duì)，結(jié)果表明，該序列與Genbank報(bào)道的釀酒酵母26SrDNA近5′端的D1/D2區(qū)域有99%的同源性，因此鑒定A27菌株為釀酒酵母。該鑒定方法快速準(zhǔn)確，重復(fù)性好，在酵母分類學(xué)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)任編校：李秀榮)

Isolation of High Temperature Resistant Alcohol Yeast and Its Identification of 26SrDNA Sequence

LI Ai

(Department of Environmental and Chemical Engineering， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

The author of this paper separated the samples collected from different locations， got 127 yeast strains， then obtained 1 high-temperature alcohol yeast strain after 4 screenings， which was named A27， and finally made a molecular identification of it by using 26 srdna D1/D2 area sequence analysis method. The results reveal that it has 99% homology of Saccharomyces cerevisiae 26SrDNA， thus proving that the strain A27 is saccharomyces cerevisiae at the molecular level.

high temperature； alcohol yeast； screening； identification

Q935

A

1672-349X(2015)03-0076-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.025