宋吉玲 陳星坤 陳 青 何愛珍 袁衛東,* 陸中華,*
(1杭州市農業科學研究院,浙江 杭州 310024;2山東農業大學農學院,山東 泰安 271000;3浙江省農業技術推廣中心,浙江 杭州 310020;4淳安縣農業農村發展服務中心,浙江 淳安 311700)
香菇[Lentinusedodes(Berk.)Pegler],隸屬于擔子菌綱(Basuduimycota)傘菌目(Agaricales)口蘑科(Tricholomataceae)香菇屬(Lentinula),又稱香蕈、香菰[1],富含蛋白質、維生素、礦物質、多糖、多酚和人體所必需的多種氨基酸等多種營養物質,是一類營養豐富的食藥兼用型真菌[2]。
香菇作為浙江省主要栽培的食用菌品種之一,其培養基質以闊葉類木屑、麩皮等農業生產下腳料為主,但這些原料中含有大量的細菌、放線菌、病毒等微生物和蟲害,會與香菇爭奪營養成分,從而對香菇的生長產生影響[3]。因此,在香菇等食用菌的栽培過程中,培養料的滅菌處理是保障高效生產的一個重要環節[4]。在生產中,培養料的滅菌處理主要采用濕熱滅菌法,依據壓力的不同分為高壓滅菌、微壓滅菌和常壓滅菌[5]。在規模化生產中,一般采用高壓滅菌和微壓滅菌,即培養基質完成裝袋后在一定的壓力和溫度條件下進行滅菌,以達到殺滅大部分微生物的目的;而在一些香菇的主產區,依然延續著傳統的常壓滅菌方式。不同的滅菌方式不僅會對培養料質量性狀和食用菌的生長造成一定的影響[6],還會影響微生物的種類和結構[7]。在食用菌的生長過程中,微生物作為分解有機物的主要參與者,在養分循環利用、改善培養基質結構和提高食用菌產量方面均表現出良好的效果[8-9]。然而,目前關于不同滅菌處理方式對食用菌生長影響的研究主要集中在其對培養料酶活大小[10]、氨基酸含量[11]、微量營養素的多少[12]和滅菌效果的好壞[13]等,鮮見有關不同滅菌方式對香菇培養料理化特性和微生物菌群動態變化影響的相關研究。
因此,本研究通過檢測培養料的理化特性探究不同滅菌工藝對香菇培養料營養變化的影響,通過Illumina MiSeq 高通量測序技術分析不同滅菌工藝對微生物菌群動態變化的改變,結合相關生物學分析手段,對培養料理化特性與微生物菌群進行相關性分析,以期明確不同滅菌處理對香菇生長發育的影響,為香菇的精準化栽培奠定基礎。
1.1.1 供試菌株 香菇菌株為浙香6 號,由武義食用菌創新公司提供。
1.1.2 栽培方法 于2021年7月—2022年4月在杭州桐廬和誠食用菌專業合作社開展香菇栽培試驗。試驗配方采用木屑79%、麩皮20%、石膏1%,含水量50%~55%。分別采用三種滅菌工藝進行滅菌,滅菌具體參數見表1。栽培袋規格采用15 cm×55 cm×0.045 cm 的聚乙烯袋,每棒干料重1.2 kg。其中在高壓滅菌時,栽培袋刺小孔(直徑0.5 cm)后貼透氣膜進行滅菌。按照常規方法進行接種、培養、出菇。試驗隨機分組,3次重復,每個重復300個菌棒。

表1 不同滅菌工藝及技術參數Table 1 Different sterilization processes and technical parameters
1.1.3 試驗儀器 HiFi Hotstart PCR 試劑盒(Kapa Biosystems,南非),文庫定量試劑盒Illumina?平臺(Kapa Biosystems,南非),AGENCOURT?AMPURE?XP Kit(Beckman Coulter Inc.,美國),QIA 快速凝膠萃?。≦iagen,德國),T100TM熱循環PCR 儀(Bio-Rad Inc.,美國),Qseq100 DNA 分析儀(Bioptic Inc.,臺灣),LightCycler?96 實時熒光定量PCR 儀(Roche Inc.,瑞士),Qubit?Fluorometers 熒光定量儀(Thermo Fisher Scientific,美國),PE300 MiSeq?測序系統(Illumina Inc.,美國),PE250 Novaseq 6000?測序系統(Illumina Inc.,美國)。
取樣時期包括滅菌前空白菌棒(0)、滅菌后空白菌棒(1)、滿棒期(2)、轉色期(3)、原基期(4)、成熟期(5)。每個時期隨機選取30 個菌棒,使用無菌鏟分別對每個菌棒上、中、下部的中心處培養料進行采樣。按每個處理分別混合均勻后取300 g,一部分用于微生物測序,于-80 ℃保存備用;一部分風干、磨粉后用于有機碳、全氮、纖維素、木質素、半纖維素等理化特性指標的測定;一部分直接用于培養料含水量測定。
1.3.1 農藝性狀測定 待菌絲萌發后,隨機抽取10個菌棒,每隔7 d 測量1 次菌絲生長速度,并記錄菌絲長勢(菌絲濃密程度、顏色)和各潮次產量。待菌絲滿棒后,統計污染菌棒的數量,計算菌棒成品率。
菌棒成品率=污染菌棒數量/全部菌棒數量×100%。
1.3.2 理化特性指標測定 對不同滅菌工藝處理下培養料的理化特性進行測定,其中采用重鉻酸鉀容量法測定有機碳含量[14];凱氏定氮法測定全氮含量[15];蒽酮比色法測定纖維素含量[16];乙酰溴法測定木質素含量[17];培養料經酸性水解后采用蒽酮法測定半纖維素含量[18]。按照下式計算培養料中碳氮比(C/N):
C/N=(SOC/SAN)×100%
式中,SOC為培養料中有機碳(organic carbon,OC)含量(g·kg-1),SAN 為培養料中全氮(total nitrogen,TN)含量(g·kg-1)。
1.3.3 基質DNA提取與微生物測序 樣品中DNA使用DP336 土壤DNA 提取試劑盒(上海三黍生物科技有限公司)進行提取,并選擇16S rRNA 基因高變區序列進行菌落測序,引物序列B341F:5′-CCTACGGGNG GCWGCAG-3′;B785R-5′GACTACHVGGGTATCTAAT-3′,測序區域V3~V4 區,目的片段長450 bp。PCR 擴增反應體系共25 μL:50 ng·μL-1DNA、2×Kapa hifi hotstart ready mix 1.25 μL、特異性上、下游引物各0.25 μL、用PCR級無菌去離子水補至25 μL。
PCR 反應參數:95 ℃預變性3 min;95 ℃變性30 s,56 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,25 個循環;72 ℃孵化5 min;4 ℃保持。反應結束后的產物使用AMPure XP Beads 純化后用2% 瓊脂糖凝膠電泳回收。采用Illumina Novaseq 6000 PE250 模式對樣品進行高通量測序。
使用Vsearch 2.22.1 對序列進行質量控制,以相似度大于97% 的序列聚到同一個操作分類單元(operational taxonomic units,OTU)中,使用Mothur 1.48.0軟件、Rdp 和Unite 數據庫對OTU 進行注釋,并在各分類學水平上統計樣本中的群落組成[19]。根據統計的OTU結果采用Origin 8.0軟件完成門、屬水平豐度圖繪制。并計算Shannon 指數、Simpson 指數、Chao1 指數和ACE 指數分析群落的豐富度和多樣性[20]。同時對不同滅菌工藝條件下微生物菌群變化與培養料理化特性的相關性進行分析。
不同滅菌工藝下的香菇菌絲生長、產量和菌棒成品率均存在顯著差異(表2),其中Z工藝的菌絲生長速度最快,為3.690 mm·d-1;G 工藝的生長速度次之,為3.270 mm·d-1,C 工藝的生長速度最慢,僅為2.340 mm·d-1。產量與菌絲生長的變化趨勢有所不同,C 工藝總產量最高,為0.611 kg/棒;Z 工藝次之,為0.585 kg/棒;G工藝總產量最低,為0.535 kg/棒。從各潮次產量情況來看,G 工藝的第一潮產量相對較高,后期產量相對較弱,出菇持續性表現較差;而C 工藝和Z 工藝的變化趨勢相似,以第一潮和第四潮產量較高,第二和第三潮產量稍低,整體表現相對平穩、持久。從菌棒成品率情況來看,G 工藝和Z 工藝的菌棒成品率較高,分別為98.98%和97.08%,C 工藝的菌棒成品率較低,僅為88.87%。綜合分析可知,C 工藝的產量表現較好,但整體的成品率較低;G 工藝的產量相對較低,主要集中在第一潮,后期出菇能力表現相對較弱;而Z工藝在菌絲生長速度、菌棒成品率和產量方面整體表現相對較好。

表2 不同滅菌工藝對香菇生長情況的影響Table 2 Effects of different sterilization processes on the growth of Lentinula edodes
栽培過程中培養料含水量的變化如圖1-a 所示:在滅菌前后的空白菌棒階段,C 工藝的含水量稍有增加,由滅菌前的50.48%提高到51.46%;而G 工藝和Z工藝的含水量均有所下降,其中G 工藝由滅菌前的50.48%下降到47.86%,Z 工藝由滅菌前的50.48%下降到49.28%,這可能與不同滅菌工藝滅菌時溫度和滅菌時間存在一定的差異有關。而經過滿棒期、轉色期、原基期和采收期后,G 工藝和Z 工藝的培養料含水量變化趨勢相近,均在原基期達最高,分別為73.37%和73.19%;C 工藝呈逐漸上升趨勢,成熟期時達最高,為71.57%。綜合分析來看,C 工藝的含水量變化幅度相對較小,而Z工藝和G工藝的整體變化幅度相對較大。

圖1 培養料理化特性Fig.1 Physicochemical properties of culture medium
栽培過程中培養料碳氮比的變化如圖1-b 所示:香菇整個生長過程中,碳氮比的變化整體呈先降后升的趨勢,均在原基期達最低值,其中C工藝由滅菌前的95.94%下降為36.41%;Z 工藝由滅菌前的95.94%下降為30.98%;G 工藝由滅菌前的95.94% 下降為29.56%。
圖1-c、d、e 分別為纖維素、半纖維素和木質纖維素含量的變化,隨著生育進程的推進,整體均呈現逐漸降低的趨勢。在菌絲生長階段(時期1~3)降解較慢,進入生殖生長階段(時期4~5)降解較快,尤其是木質素。在香菇的生長發育階段,纖維素含量表現為C 工藝>G 工藝>Z 工藝,其中G 工藝和Z 工藝兩者相差不大;半纖維素含量表現為Z 工藝>C 工藝>G 工藝;木質素含量表現為G工藝>Z工藝>C工藝。
綜上所述,不同滅菌工藝對培養料的含水量、碳氮比和木質纖維素降解存在一定的影響。隨著滅菌壓力的逐漸增強,含水量的上升幅度和碳氮比的下降幅度均逐漸增強。而在木質纖維素方面的差異主要表現在不同組分上,其中G 工藝在纖維素和半纖維素降解方面表現較強,Z 工藝在纖維素降解方面表現較強,而C工藝則是在木質素降解方面表現較強。
通過Alpha 多樣性分析發現,3 種不同滅菌工藝細菌群落的Shannon 指數無顯著差異,而在Simpson 指數、Chao1 指數、ACE 指數水平上存在顯著性差異,其中Simpson 指數表現為C 工藝>G 工藝>Z 工藝,Chao1和ACE 指數均表現為Z 工藝>C 工藝>G 工藝。綜上,C工藝在菌群多樣性方面顯著高于G 工藝和Z 工藝(Simpson 指數);Z 工藝在菌群豐富度方面顯著高于G工藝和C工藝(Chao1指數和ACE指數)(表3)。

表3 不同滅菌工藝培養料中細菌的豐度和多樣性Table 3 Abundance and diversity bacteria in culture media by different sterilization on processes
相對豐度較大的優勢菌群可以直接反映樣本自身的特性或與周圍環境之間的關系[21]。不同滅菌工藝培養料中微生物菌群動態變化結果如圖2 所示。結果表明,不同滅菌工藝條件下,不同物種的相對豐度存在較大的差異。
三種滅菌工藝門水平(圖2-a)的優勢細菌菌群組成有較高的相似性,均為變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)等,但表現在不同的培養時期。C工藝中,相比于C1時期,C2的Proteobacteria豐度升高,替代Firmicutes、Bacteroidetes 和Actinobacteria 等,其中Firmicutes 的豐度下降幅度最大。在G工藝中,G1時期的Proteobacteria 和Firmicutes 豐度較高,在隨后的時期,Firmicutes的豐度逐漸降低,而Proteobacteria的豐度逐漸升高,至G4時成為豐度最高的門。在Z工藝中,Z1時期Firmicutes等豐度較高,其次為Proteobacteria,在隨后的培養時期中,Proteobacteria在Z2時期豐度達最高,隨后逐漸降低,至Z5 時期又有所上升,而Firmicutes 的豐度隨培養時間的延長呈現逐漸下降的趨勢。
三種滅菌工藝條件下相對豐度排名前16 的優勢菌屬如圖2-b 所示,不同滅菌工藝和不同培養時期均有所不同。在C工藝中,在C1(空白期)豐度最高的3個屬為不動桿菌屬(Acinetobacter,17.71%)、魏斯氏菌屬(Weissella,17.33%)、乳植桿菌屬(Lactiplantibacillus,8.05%);經發菌滿棒后,醋酸桿菌科未知屬(Acetobacteraceae_unclassified,98.62%)替換Acinetobacter、Weissella、Lactiplantibacillus成為C2 時期豐度最高的屬,而C3(轉色期)時期豐度最高的3 個屬則為伯克氏菌科未知屬(Burkholderiaceae_unclassified,14.23%)、帕拉伯克霍爾德菌屬(Paraburkhoideria,8.67%)、假單胞菌屬(Pseudomonas,6.53%);C4(原基期)嗜酸菌屬(Acidisoma,9.98%)替換Pseudomonas,與Burkholderiaceae_unclassified(17.73%)、Paraburkholderia(11.45%)成為C4時期豐度最高的3個屬;子實體成熟后,Paraburkholderia的豐度有所提高,為15.92%,與Burkholderiaceae_unclassified(13.83%)和Acidisoma(5.48%)組成豐度較高的3個屬。
G 工藝中,G1 與C1 豐度最高的3 個屬相同,即為Acinetobacter(21.09%)、Weissella(20.08%)、Lactiplantibacillus(10.54%),但豐度表現有所提高;G2 時期,Pseudomonas(7.96%)和嗜鹽單胞菌屬(Halomonas,6.62%)替換Weissella、Lactiplantibacillus,與Acinetobacter(42.27%)成為滿棒期豐度最高的屬;G3(轉色期)豐度最高的3 個屬則為Burkholderiaceae_unclassified(23.13%)、顆粒桿菌屬(Granulibacter,22.09%)、Paraburkholderia(7.38%);G4(原基期)以Acetobacteraceae_unclassified(39.83%)替換Granulibacter,與Burkholderiaceae_unclassified(13.78%)和Paraburkholderia(8.75%)成為豐度最高的3個屬;G5時期的優勢屬與G4時期表現相一致,但豐度表現有所差異,其中Burkholderiaceae_unclassified 為22.11%、Paraburkholderia為13.46%、Acetobacteraceae_unclassified為9.82%。
Z 工藝中,Z1 時期豐度最高的3 個優勢屬為Weissella(6.95%)、擬桿菌屬(Bacteroides,6.19%)、Acinetobacter(6.01%);Z2 時期豐度較高的優勢菌屬為Acinetobacter(39%)、Acetobacteraceae_unclassified(34.08%)、Pseudomonas(6.55%);而Z3時期豐度較高的優勢菌屬為Paraburkholderia(13.36%)、Burkholderiaceae_unclassified(12.54%)、伯克氏菌屬(Burkholderia,7.25%);Z4時期,Acidisoma(8.3%)替換Burkholderia,與Burkholderiaceae_unclassified(17.63%)和Paraburkholderia(10.19%)成為豐度最高的3個屬;而Z5時期的優勢菌屬為Burkholderiaceae_unclassified(6.95%)、Paraburkholderia(6.19%)、Burkholderia(4.76%)。
綜上所述,在門水平,三種滅菌工藝在不同時期樣品中的優勢菌為Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Actinobacteria等。在屬水平,每個滅菌工藝不同階段都有各自的優勢菌,分別為Acetobacteraceae_unclassified、Burkholderiaceae_unclassified、Acinetobacter、Paraburkhoideria、Weissella等。
SparCC 相關性熱圖如圖3 所示。在3 種滅菌工藝中,Z工藝中排名前16的細菌屬與碳氮比、木質纖維素各組分含量具有較高的相關性,其中Burkholderiaceae_unclassified、Gryllotalpicola、Paraburkholderia、Granulibacter、Burkholderia、Alacligenaceae_unclassified、Acidisoma和Bordetella相對豐度與木質素含量呈顯著負相關,相關系數均為-0.999;Phocaeicola、Weissella和Lactiplantibacillus相對豐度與纖維素含量呈顯著正相關,相關系數均為0.999,而與碳氮比和半纖維素含量之間無顯著相關性。C 工藝中Pseudomonas相對豐度與纖維素、Burkholderia相對豐度與木質素含量呈顯著正相關,相關系數為0.999 和0.963,在G 工藝中,Lactiplantibacillus相對豐度與半纖維素含量呈顯著負相關,相關系數為-0.994。

圖3 碳氮比、木質纖維素各組分含量與細菌前16個優勢屬的SparCC相關性熱圖Fig.3 Heat map of SparCC correlation between carbon-nitrogen radio,content of lignocellulose components and top 16 dominant bacteria
通過SparCC 分析法分析細菌菌群間相關性(屬水平豐度大于0.5%,相關系數閾值0.1)網絡圖結果如圖4 所示。C 工藝中的物種有28 個,建立了156 條連接,其中有135 條為正相關連接,正相關率為86.5%。而在G 工藝中(圖4-b)的物種有28 個,建立了214 條連接,其中有166 條正相關連接,正相關率為77.6%;Z工藝中的物種有35 個,建立了285 連接,其中有234 條正相關連接,正相關率為82.1%。綜合來看,與G工藝和C 工藝相比,Z 工藝會使物種間建立更多、更復雜的相關性連接,這與表2 中Z 工藝中物種的豐富性表現較好的結論相一致。

圖4 基于SparCC分析屬水平各物種間的相關性網絡圖Fig.4 Analysis of correlation network among species at genus level based on SparCC
食用菌的生長主要依靠培養料提供營養,從菌絲生長、產量和成品率等方面能夠直觀了解到不同滅菌工藝對食用菌的影響[22],但目前缺少相對系統的試驗數據支撐。本研究發現,高壓滅菌(G)、微壓滅菌(Z)和常壓滅菌(C)在香菇菌絲生長、菌棒成品率和產量方面存在較大的差異,其中Z 工藝和G 工藝的菌絲生長速度和菌棒成品率優于C 工藝,而C 工藝和Z 工藝在產量方面的表現優于G 工藝。綜合分析來看,Z 工藝在菌絲生長、菌棒成品率和產量方面整體表現較好。推測是因為Z工藝處理的培養料在理化特性和微生物環境方面更適合香菇的生長。
理化特性是評價食用菌培養料的一個重要指標[23]。本研究結果表明,3 種滅菌工藝在含水量、碳氮比和木質纖維素各組分之間均存在一定差異。隨著生育進程的推進,C 工藝滅菌后的菌棒含水量呈上升趨勢,而G 工藝和Z 工藝則呈一定的下降趨勢,這可能是由于G工藝的滅菌溫度高、壓力大,容易造成培養料中的水分流失,而C 工藝的滅菌過程壓力低、時間長,滅菌用的水蒸氣在一定程度上會促進水分在培養料中的累積。在香菇生長階段,G 工藝和Z 工藝的含水量要顯著高于C 工藝,初步推測G 工藝和Z 工藝在提高菌絲生長代謝方面優于C 工藝,這與曹娜等[7]的研究結果一致,即:食用菌在生長過程中會產生大量的水分,從而導致培養料中的含水量升高。碳氮比作為食用菌生長發育的關鍵營養元素之一,其比值過高時會抑制細菌和其他微生物的生長代謝,分解有機物的速度放慢,進而影響菌絲生長和產量[24-25],從3個滅菌工藝中碳氮比的變化過程來看,G 工藝和Z 工藝菌絲代謝優于C工藝,對培養料有機物降解有較好的促進作用。
培養料是食用菌與外界環境進行物質與能量交換的主要場所,培養料微生物群落與基質降解和食用菌生長密切相關[7]。高通量測序技術的飛速發展為研究培養料微生物群落的物種組成、多樣性及群落結構提供了先進的方法和手段[26]。雋加香等[27]報道指出雙孢蘑菇二次發酵和三次發酵能夠顯著提高培養料Chao1 指數、ACE 指數、Shannon 指數和Simpson 指數。本研究表明,Z 工藝中的細菌總OTU 數量以及Chao1、ACE 和Shannon 等細菌多樣性指數相較于C 工藝和G工藝均有不同程度增加,說明Z 工藝能夠在一定程度上提高培養料細菌群落豐富度和多樣性。3 個滅菌工藝條件下細菌群落組成總體相似,在門水平中主要是以能夠降解木質素、纖維素的變形菌門、厚壁菌門和放線菌門[28]為主。其中Z 工藝的變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和放線菌門(Actinobacteria)優勢較強;C 工藝的變形菌門優勢較強;G 工藝的厚壁菌門優勢較強。而在屬水平中,相對豐度較高的包括變形菌門中的醋桿菌科-未分類(Acetobacteraceae_unclassified)、不動桿菌屬(Acinetobacter)、伯克氏菌科-未分類(Burkholderiaceae_unclassified)和伯克霍爾德菌屬(Paraburkholderia);厚壁菌門(Firmicutes)中的魏斯氏菌(Weissella)和植物乳桿菌(Lactiplantibacillus);擬桿菌門中的擬桿菌屬(Bacteroides)。其中變形菌門不僅在碳氮循環及木質纖維素的生物降解中發揮重要作用,還在葡萄糖、丙酸和丁酸等小分子代謝與轉化過程中起著關鍵性作用[29]。厚壁菌門中的魏斯氏菌(Weissella)在調節細菌環境和抑制致病菌方面具有顯著作用[30],擬桿菌門與有機物的利用密切相關,能夠分解碳水化合物,將纖維素、半纖維素及其他多糖類物質分解成為小分子物質[31]。本研究中,木質纖維素在3 個滅菌工藝中均呈現逐漸降低的趨勢。在滅菌后至采收階段,C 工藝的木質素降解速率較快,由63.20μg·mg-1下降至44.77 μg·mg-1;G工藝的纖維素和半纖維素降解較快,分別由299.10 μg·mg-1下降至136.23μg·mg-1、56.40 μg·mg-1下降至22.33 μg·mg-1;Z 工藝的纖維素降解速率較快,由324.30 μg·mg-1下降至121.20 μg·mg-1。這可能是由于C工藝中含有豐度更高的Klebsella(10.05%)[32]和Novosphingobium(4.19%)[33],能降解木質素的細菌,Z 工藝中含有豐度更高的Acinetobacter(39%)[34],能降解纖維素的細菌,G 工藝中含有豐度更高的Acinetobacter(42.7%)、Weissella(20.08%)[35],能降解纖維素和半纖維素的細菌。結合細菌菌群間的相關性網絡圖發現,Z 工藝排名前16 的細菌群落豐度與纖維素和木質素含量具有較強的相關性,可以使物種建立更豐富、更復雜的連接,為香菇的生長提供較好的微生物環境。
不同滅菌工藝處理的菌棒在香菇菌絲生長速度、產量、成品率上存在顯著差異,Z 工藝處理的香菇菌棒成品率和菌絲生長速度高于C 工藝,在產量方面高于G工藝。綜合分析表明,Z工藝處理下的培養料具有更好的微生物環境和較高的纖維素降解能力,但其對香菇產量的影響機制尚不明確,有待進一步深入研究。