張振東,王玉榮,向凡舒,侯強川,李寶坤,郭 壯,*
(1.湖北文理學院 湖北省食品配料工程技術研究中心,湖北 襄陽 441053;2.石河子大學食品學院,新疆 石河子 832000)
人體腸道有大量復雜多樣的細菌,因此腸道微生物被稱為人體的“隱形器官”。腸道中的乳酸菌是最重要的一類益生菌,具有抑制有害菌群、維持腸道菌群平衡、保護腸黏膜屏障、合成維生素、降低腸道pH值、促進腸道蠕動和調節免疫炎癥等作用[1-2]。研究表明,乳桿菌(Lactobacillus)是人類腸道中最主要的乳酸菌,同時腸道也是益生菌類乳桿菌的重要分離來源[2-3],常見腸道源益生菌有乳球菌和雙歧桿菌等,而在種水平上發酵乳桿菌(L.fermentum)是重要的益生乳酸菌資源[4-5]。
發酵乳桿菌是一類呈革蘭氏陽性、兼性厭氧菌,能發酵多種糖類,產酸能力強,屬于專性異型乳酸發酵菌[6],在食品領域應用廣泛,還能作為益生菌,具有很高的應用價值。發酵乳桿菌能調節天然免疫與適應性免疫,具有抗炎癥作用[7]。發酵乳桿菌廣泛存在于發酵食品,人體與動物的口腔、腸道等生境[4,6,8]。目前用作益生菌的菌株主要來自人體[4,9],對人體的唾液、乳及腸道的益生菌研究較多,但是對腸道來源的發酵乳桿菌研究較少。
益生菌的一些重要特征,往往與特定的亞種或株相關,因此對發酵乳桿菌的分子分型研究,將有助于篩選具有潛在益生特性的菌種資源。分子分型技術包括擴增片段長度多態性分析技術[10]、隨機擴增多態性DNA片段[10]、脈沖場凝膠電泳[11-12]、多位點序列分型(multilocus sequence typing,MLST)[11-12]和多位點可變數目串聯重復序列分析[12]等,被廣泛應用于細菌鑒定、分型溯源、種群結構和遺傳進化分析。MLST往往能反映更多的遺傳信息,更好地反映種群進化情況,且有豐富的數據庫支撐,因此應用更為廣泛。
對乳桿菌的遺傳進化研究表明,一些乳桿菌的進化和多樣性與地理分布或分離源相關[13-14],如同一面團來源的L.sanfranciscensis遺傳多樣性較低,而不同面團來源的L.sanfranciscensis則遺傳多樣性較高[15],傳統發酵食品來源的發酵乳桿菌則與分離源及地理分布不相關[16]。為明確老人腸道來源與發酵食品來源的發酵乳桿菌間的遺傳進化關系,本研究對湖北襄陽市與恩施市老年人腸道的乳酸菌進行分離與鑒定,并基于持家基因,與已發表發酵乳桿菌共同進行MLST分析[16],以期為發酵乳桿菌的篩選、開發與溯源,并為其遺傳進化研究提供實驗依據與理論基礎。
細菌基因組總DNA提取試劑盒DP302 天根生化科技(北京)有限公司;Pfu高保真DNA聚合酶、DNA Marker DL2000、dNTP混合物 寶生物工程(大連)有限公司;胰蛋白胨、酵母粉 英國Oxoid公司;MRS(de Man, Rogosa and Sharpe)培養基[17]青島海博生物技術有限公司;瓊脂糖 西班牙Biowest公司。
Veriti聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)儀 美國ABI公司;UVPCDS8000凝膠成像系統美國ProteinSimple公司;CT15E臺式高速離心機 日本日立公司;BG-160隔水式培養箱 上海博訊公司;瓊脂糖凝膠電泳系統 北京六一生物科技有限公司;SW-CJ-2FD超凈工作臺 江蘇蘇凈集團有限公司;HR40-IIB2型生物安全柜 青島海爾公司;DG250厭氧工作站 英國Don Whitley公司。
1.3.1 樣品采集
于2018年1月從湖北襄陽市龐公雪美養老公寓和漢丹社區招募到10 名健康的老人志愿者,從恩施市六角亭老街坊敬老院和花果山社會福利院征募到20 名老人志愿者(要求:年齡在65~94 歲之間,身體健康,短期內(近兩周)未服用藥物)。首先使用無菌采樣勺將糞便樣品收集到無菌離心管中,裝入內置冰袋的采樣箱后,快速送到實驗室。
1.3.2 菌株分離
乳酸菌的分離使用倍比稀釋涂布法。首先添加無菌生理鹽水到裝有腸道糞便樣品的無菌離心管充分混勻,按照10 倍的濃度梯度進行稀釋,選取10-4~10-6梯度的稀釋液,涂布于含有1%碳酸鈣的MRS平板,然后置于厭氧工作站(含80% N2、10% H2和10% CO2),設置溫度為37 ℃進行培養[18]。3~5 d后,將平板取出,使用接種環挑取帶有透明圈的疑似乳酸菌菌落,通過連續劃線法進行純化至少3 次,經過革蘭氏染色后鏡檢,通過細胞形態觀察確認為純菌后,將分離到的菌株使用含有30%甘油的MRS液體培養基保存在-70 ℃備用[18]。
1.3.3 乳酸菌的分子鑒定
使用細菌總DNA提取試劑盒獲得菌株的總DNA:取保存在-70 ℃冰箱的備用純菌,在MRS培養基中連續活化3 次,收集對數期的菌體細胞,使用細菌基因組DNA提取試劑盒(DP302)按照說明書提取總DNA,并通過瓊脂糖凝膠電泳檢查提取到的DNA質量。
以提取到的菌體總DNA為模板,使用細菌16S rRNA基因通用引物27F與1495R[19],通過PCR獲得該基因的片段。使用16S rRNA基因的PCR產物進行TA克隆,挑取陽性克隆子測序[18]。將獲得的序列在NCBI數據庫進行BLASTn比對,并使用MEGA X構建鄰接法系統發育樹[20]。
1.3.4 發酵乳桿菌的MLST分析
根據Dan Tong等[16]建立的發酵乳桿菌MLST分析方法,選取dnaA(染色體復制起始蛋白DnaA)、dnaK(分子伴侶DnaK)、groEL(分子伴侶GroEL)、murC(UDP-N-乙酰氨基甲酸-L-丙氨酸連接酶)、murE(UDP-N-乙酰胞壁酰丙氨酰-D-谷氨酸-2,6-二氨基庚二酸酯連接酶)、pepX(X-脯氨酰-二肽氨基肽酶)、recA(重組酶A)、ropB(RNA聚合酶β亞基),共8 個持家基因進行MLST分析。使用提取的發酵乳桿菌總DNA為模板,以發酵乳桿菌的MLST引物[16]進行PCR擴增,將得到的PCR產物進行TA克隆,然后進行雙末端測序。將獲得的測序原件使用BioNumeric v7.6進行序列的拼接與引物去除,并使用該軟件下載發酵乳桿菌已發表的MLST分析使用的基因序列及分離菌特征信息。將所有菌株的持家基因按照dnaA-dnaX-groEL-murC-murE-pepX-recA-ropB順序合并進行MLST分析,包括等位基因確定、序列型(sequence type,ST)確定、構建最小生成樹。
使用軟件LIAN v3.0[21]進行連鎖不平衡分析,并使用SplitTree v4.0[22]分別以單個基因的序列構建系統發育樹,并以8 個持家基因的串聯序列構建分裂重組樹,評價重組事件對系統發育樹的影響。使用DnaSP v6.0[23]計算各個持家基因的平均G+C含量、多態性位點、多樣性(π)值,并通過Tajima’s D檢驗持家基因在進化過程中是否遵循中性進化模型。使用paml v4.7j[24],基于零假設(Null hypothesis)計算每個持家基因的Ka/Ks(即非同義替換率與同義置換速率的比值),進行選擇壓力分析。使用PHYLOViZ v2.0a[25]軟件的goeBURST算法對發酵乳桿菌不同基因型進行分組和聚類,以明確菌株之間的進化關系。使用MEGA X內置的ClustalW對8 個持家基因分別進行多重比對,然后使用bioedit v7.0.5.2將比對后對齊的序列按照dnaA-dnaX-groEL-murC-murE-pepX-recA-ropB順序串聯合并,使用MEGA X軟件基于鄰接法構建系統發育樹,檢驗次數為1 000 次,使用FigTree v1.4.3展示系統發育樹。
1.3.5 核酸序列登錄號
本實驗所用的核酸序列均提交到NCBI網站,乳酸菌分離株的16S rRNA基因序列登錄號為MH473232~MH473259、MH473261~MH473273、MH473275~MH473284、MH473286~MH473319、MH473321~MH473335;選用的8 個持家基因登錄號為MT620776~MT620950、MT603636~MT603660。
從30 份老人糞便樣品中,共分離純化了75 株菌,其中從襄陽市老年人腸道糞便樣品中分離到22 株,從恩施市樣品中分離到53 株。對乳酸菌進行鏡檢,所有乳酸菌均呈革蘭氏陽性,細胞形態有桿狀和球狀,部分乳酸菌菌落與鏡檢圖片見圖1。

圖1 部分乳酸菌菌落(A)與細胞形態(B)Fig.1 Colony (A) and cell morphology (B) of selected LAB strains
對75 株乳酸菌的菌體總DNA進行提取,以此為模板進行16S rRNA片段的PCR擴增,得到PCR產物的DNA片段長度約為1.5 kb[26],符合細菌16S rRNA片段的大小。對這些乳酸菌的PCR產物進行TA克隆與測序,將得到的DNA序列去除引物序列后,在NCBI數據庫比對,并構建系統發育樹,結果見圖2。

圖2 老年人腸道乳酸菌系統發育樹Fig.2 Phylogenetic tree of LAB strains isolated from the gut of elderly people
從襄陽市和恩施市健康老人腸道中分離到的乳酸菌75 株,鑒定為5 個菌屬,分別為雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、腸球菌屬(Enterococcus)、乳桿菌屬、乳球菌屬(Lactococcus)和鏈球菌屬(Streptococcus)共15 個種。從襄陽市健康老人腸道分離到的乳酸菌共22 株:1 株長雙歧桿菌(B.longum),2 株糞腸球菌(E.faecalis),4 株屎腸球菌(E.faecium),3 株海氏腸球菌(E.hirae),1 株格氏乳桿菌(L.gasseri),3 株黏膜乳桿菌(L.mucosae),2 株植物乳桿菌(L.plantarum),4 株唾液乳桿菌(L.salivarius),1 株格氏乳球菌(L.garvieae),1 株S.lutetiensis;從恩施市健康老人腸道共分離到乳酸菌53 株:1 株鳥腸球菌(E.avium),1 株糞腸球菌(E.faecalis),8 株屎腸球菌(E.faecium),1 株泰國腸球菌(E.thailandicus),17 株發酵乳桿菌,2 株黏膜乳桿菌,2 株植物乳桿菌(L.plantarum),1 株羅伊氏乳桿菌(L.reuteri),19 株唾液乳桿菌(L.salivarius),1 株S.pasteurianus。結合董蘊等[27]研究結果看,發酵乳桿菌占老年人總乳酸菌分離株的25.5%,而唾液乳桿菌占29.6%,共占55%。這兩種乳酸菌屬于衛生部頒布的可用于食品的菌種,而腸道是這兩種乳酸菌的重要分離來源。由于發酵乳桿菌在益生菌開發和食品工業中的重要性,接下來對圖2中的發酵乳桿菌進行分子分型分析。
使用paml v4.7j軟件與DnaSP v6.0軟件對分離到的25 株發酵乳桿菌的8 個看家基因(dnaA、dnaK、groEL、murC、murE、pepX、recA和rpoB)進行分析,其等位基因多態位點數量、G+C含量、核苷酸多樣性、Ka/Ks等的計算結果見表1。

表1 用于MLST分析的持家基因序列多樣性Table 1 Diversity of eight house-keeping gene sequences used for MLST analysis
對測序結果的分析表明,用作MLST分析的8 個持家基因的長度為255(dnaA)~613 bp(murC),合并后序列總長度為3 862 bp。將分離到的25 株發酵乳桿菌與已發表的發酵乳桿菌共同進行分析,發現在這8 個持家基因中,等位基因數量為14~30 個,其中pepX的等位基因數量最多,dnaA和groEL的等位基因數量最少,分別為14 個和15 個。8 個持家基因的多態性位點為17~37 個,murC基因的多態性位點最多,為37 個,而groEL和rpoB的多態性位點最少,均為17 個。從G+C含量上看,基因pepX最高,為65%,而dnaA基因的G+C含量最低,為48.3%。通常可以用Ka/Ks值判斷生物在進化過程中基因是否受到環境因素的選擇壓力作用[28]。本研究中,這8 個基因的Ka/Ks值在0.079 25(dnaA)~0.472 02(pepX)之間,均小于1,且均大于已報道的發酵食品中發酵乳桿菌的Ka/Ks值,表明它們大多進行同義替換,在進化過程中更多受到純化選擇作用,且在老年人腸道環境中受到的純化選擇作用更強。Tajima’s D統計檢測能鑒定基因在進化過程中是否符合中性理論模型,即是否受到選擇壓力作用。如果Tajima’s D值小于0,表明檢測的基因受到純化選擇作用,而該值大于0,表明受到多樣化選擇作用[29]。本研究中,選擇的8 個持家基因的Tajima’s D值均小于0,表明它們均受到純化選擇作用,與使用paml v4.7j計算的Ka/Ks值分析結果一致。
使用BioNumeric v7.6軟件對227 株不同來源的發酵乳桿菌依據選擇的8 個持家基因進行了分析,結果表明這227 個發酵乳桿菌可以劃分為75 個ST型。ST型劃分如下:ST34、ST39、ST60、ST62和ST63菌有2 株菌;ST26、ST33、ST36、ST44、ST46、ST48、ST51、ST64、ST67、ST69和ST75均有3 株菌;ST49和ST58各有4 株菌;ST43和ST54和ST74各有5 株菌;ST31、ST41和ST57分別含有6、7 株和8 株菌;而ST45、ST30和ST29所含的菌株最多,分別為16、23 株和53 株。進一步來說,分離自襄陽與恩施地區老人的發酵乳桿菌25 株,劃分為25 個ST型,且來源于其他環境中的菌株均不屬于這25 個ST型,表明這2 個地區老人腸道中的發酵乳桿菌多樣性較高,可能是受到腸道環境的影響所致。
在進行多序列分子分型分析中,通常使用LIAN v3.0分析持家基因是否存在基因重組情況[21]。經計算,所選取的8 個持家基因(dnaA、dnaK、groEL、murC、murE、pepX、recA和rpoB)的IAS值為0.456 5(P<0.01),顯著高于0,因此存在克隆結構,即這8 個持家基因連鎖不平衡。
使用SplitTree v4.0軟件分別構建了8 個持家基因構建了分裂重組分析圖,結果見圖3。在這8 個基因中,僅基因pepX和rpoB出現了明顯的平行四邊形結果,說明可能這兩個基因在進化過程中出現了基因重組事件,而其他基因未出現或出現了不明顯的平行四邊形,說明未經歷或者經歷了很少的基因重組事件。此外,基于SplitTree v4.0的phi-test分別檢驗了8 個持家基因是否發生了重組事件(表1),結果顯示,這8 個持家基因發生重組事件的P值為0.007 931(rpoB)~1(dnaA和murE)之間,僅rpoB存在極顯著的重組現象,這與分裂重組圖一致;而8 個持家基因串聯序列的phi-test(P=1.22×10-4)表明,整體上發酵乳桿菌在進化過程中經歷了重組事件[22,30]。

圖3 發酵乳桿菌8 個持家基因的等位基因分裂重組分析Fig.3 Split decomposition analysis of L.fermentum based on alleles of eight house-keeping genes
由圖4可知,除了少量ST型外,發酵乳桿菌菌株劃分的75 個ST型中的68 個可以劃分成6 個譜系,多數譜系存在網狀結構,表明在發酵乳桿菌進化過程中,發生了基因重組事件,該結果與phi-test結果一致。需要特別注意的是,一半以上(68%)來源于老年人腸道的發酵乳桿菌ST型聚集于譜系I中。譜系I中除了ST56和ST72外,無其他ST型劃入譜系I,這些譜系I中的老人腸道來源的發酵乳桿菌具有相近且獨特的進化關系。另外,譜系V的多數ST型和VI的全部ST型由來源于老人腸道的發酵乳桿菌組成。

圖4 發酵乳桿菌8 個持家基因串聯序列的等位基因分裂重組分析圖Fig.4 Split decomposition analysis of L.fermentum based on concatenated allele sequences of eight house-keeping genes
為了進一步明確各ST型間的進化關系,使用選定的8 個持家基因串聯序列構建鄰接法系統發育樹,見圖5。由227 株發酵乳桿菌劃分成的ST型,可以劃分為5 個譜系,其中譜系II和譜系IV分別含有6 個和7 個來源于腸道的ST型;腸道來源的其他10 個ST型則分散分布與其他譜系中(譜系I中含6 個腸道來源的ST型,譜系III中含有2 個,譜系V中含有2 個);與分裂重組分析圖類似的是,腸道來源的ST型18和19則單獨存在,未與其他ST型聚集在一起。這些結果表明腸道來源的發酵乳桿菌具有一定的宿主特異性,但是特異性并不強。

圖5 基于持家基因75 個ST型的串聯序列的鄰接法系統發育樹Fig.5 Neighbor-joining phylogenetic tree obtained from the concatenated nucleotide sequence of 75 ST types
使用PHYLOViZ v2.0a軟件通過goeBURST算法能將BioNumeric v7.6劃分的等位基因進行分組和聚類,劃分成不同的BGs(BURST group)[25]。由圖6可知,227 株菌的75 個ST型可以分為4 個BGs(BG1、BG2、BG3和BG4)和54 個獨特型,4 個BGs共包含215 株菌,占227 株菌的94.7%。BG1所包含的ST型和菌株最多,占總菌株數的90.3%。通常來說,BG1含有來源于老人腸道的ST型為ST4、ST5、ST8、ST9、ST10以及ST16、ST17、ST21和ST22,前5 個ST型以來源于酸粥的ST56為首要奠基者(primary founder),可能由ST56演化而來;后4 個ST型以分離自酸粥的ST62為首要奠基者。雖然BG1中包含了9 個不同的ST型,但是它們分別以ST56和ST62為中心,表明它們同樣受到老人腸道環境的影響,卻朝著兩個不同的方向進化。

圖6 基于goeBURST算法的75 個STs型的譜系分析Fig.6 Clonal complex analysis of 75 STs based on goeBURST algorithm
此外,來源于恩施老人腸道的ST6、ST7、ST13、ST14、ST15和來源于襄陽老人腸道的ST23組成了BG2。在BG2中,ST15位于奠基者位置,可能其他ST型均由該型進化而來。另外,來源于襄陽老人腸道的ST20和ST25組成了BG3,來源于恩施老人腸道的ST1和ST4組成了BG4。這些形成了特定譜系的腸道來源的發酵乳桿菌占總的腸道來源的發酵乳桿菌的40%,有24%的ST型作為獨特性存在,可能是由于老人腸道生境與其他發酵食品的環境差異較大所致,形成了有別于發酵食品源發酵乳桿菌譜系的新譜系[16]。
基于Prim’s算法,使用BioNumeric v7.6構建了最小生成樹(圖7),以進一步分析納入本研究的227 株菌間的進化關系。由圖7可知,227 株菌劃分的75 個ST型可以分為3 個大的分支,分別是A、B和C,圖中橘紅色圈代表源于老年人腸道的ST型。定義一個克隆譜系(clone complex,CC)至少含有2 個ST型。

圖7 227 株發酵乳桿菌最小生成樹Fig.7 Minimum spanning tree of 227 strains of L.fermentum
A分支包含1 個最大的克隆復合體CC1和10 個ST型,包含131 株菌。A分支包含的克隆復合體CC1含有的菌株數量是所有克隆復合體中最多的,并且A分支中其他未歸為CC1的ST型均來源于老人腸道,連成了2 個小分支,其中一個小分支包含4 個ST型,分別是ST11、ST12、ST18和ST24,它們均與CC1中分離自內蒙古酸粥的ST50進化關系最近,但是并未形成一個克隆復合體;另一個分離自腸道的小分支包含ST6、ST7、ST14、ST15和ST23,均與分離自蒙古酸奶的ST35進化關系最近。其中ST6、ST7、ST11、ST12、ST14、ST15均來源于湖北恩施,而ST23、ST24來源于湖北襄陽,但是形成了不同的分支,表明盡管這些ST型來源于湖北不同地區,而這種環境因素的差異尚不足以使這些發酵乳桿菌朝著不同的方向進化。
B分支包含5 個克隆復合體和11 個ST型,共容納了64 株發酵乳桿菌。B分支中來源于腸道的共有4 個ST型,其中ST16、ST17與分離自內蒙古酸粥的ST53、ST66組成了一個克隆復合體CC8;另外兩個ST21和ST22則屬于獨特型。C分支含有3 個克隆復合體和13 個ST型,包括32 株菌。C分支中含有的分離自老人腸道的發酵乳桿菌最多,有11 株。C分支中來源于腸道的ST20和ST25組成了克隆復合體CC7,ST4和ST56則組成了克隆復合體CC6,而這與基于goeBURST算法的分析結果一致。
基于BioNumeric v7.6的分析表明,盡管來源于老人腸道的發酵乳桿菌同時位于A、B和C分支上,然而,不同分離來源的發酵乳桿菌趨近于聚集在一起,且多數情況下,這些聚集的分支中不含有發酵食品來源的發酵乳桿菌,進一步表明了老人腸道與發酵食品的環境差異對發酵乳桿菌的影響。
人體腸道中分布豐富的乳酸菌。研究顯示,發酵乳桿菌對人體具有多種有益作用,還能被開發為發酵食品的發酵劑,有較高的經濟利用價值[31-32]。通過可培養方法對湖北省襄陽和恩施地區健康老人腸道乳酸菌進行了分離與鑒定,結果顯示得到的主要細菌是發酵乳桿菌和唾液乳桿菌,分別占總分離菌株的25.5%和29.6%。該結果與對廣西地區青年人腸道乳酸菌分離的結果類似[33],表明無論是青年人還是老年人腸道中,均存在豐富的發酵乳桿菌和唾液乳桿菌資源。
發酵乳桿菌是食品工業中的一個重要菌種,對其開發具有重要的社會效益,因而有必要對發酵乳桿菌的遺傳背景的進行明確?;诔旨一蛐蛄械腗LST分析被認為是最好的細菌分子分型方法。本研究通過8 個持家基因序列,將從老人腸道中獲得的發酵乳桿菌25 株與文獻報道的發酵食品來源的發酵乳桿菌共227 株,共同進行了MLST分型分析。結果顯示這227 株菌共可以分為75 個ST型,而其中來自老年人腸道的25 株菌被分成了25 個ST型,這顯示人體腸道中的發酵乳桿菌多樣性較高,遠高于其他來源的發酵乳桿菌[16]。
與羅伊氏乳桿菌等[34]不同,發酵乳桿菌具有一定的宿主特異性。根據持家基因的SpliTree分析,本研究中60%左右來源于腸道的發酵乳桿菌的ST型聚集在同一個譜系,且其中含有很少的其他環境來源的ST型;同樣goeBURST算法也表明,健康老人腸道來源的發酵乳桿菌單獨形成了有別于發酵食品環境來源的ST型的2 個新譜系;且最小生成樹分析也表明,健康老人腸道來源的發酵乳桿菌組成了4 個支鏈,2 個新的克隆譜系。這些現象提示來源于腸道的發酵乳桿菌具有一定的宿主特異性,但是并未聚集在一起形成同一個譜系,因此宿主特異性并不強。為適應腸道環境,發酵乳桿菌經歷了與來源于發酵食品環境的發酵乳桿菌有異的進化過程,進一步凸顯了環境因素在物種進化中的作用,同時也表明人體腸道環境的特殊性。
總的來說,通過可培養方法,從健康老人與青年人腸道中分離到的乳酸菌中發酵乳桿菌和唾液乳桿菌占比較高?;? 個持家基因的MLST分析,無論是通過最小生成樹還是goeBUST算法,部分從健康老人腸道中得到的25 株發酵乳桿菌傾向于形成3~4 個分支,因此其具有一定的宿主特異性,表明來源于腸道的部分發酵乳桿菌為適應腸道環境,可能經歷了與來源于發酵食品環境的發酵乳桿菌有異的進化過程。該研究為發酵乳桿菌的篩選與開發提供了實驗依據。