庫姆塔格沙漠可培養放線菌多樣性及抑菌潛力評估

李佳慧 汶瑛 田茂 劉光琇 張威 章高森 薛林貴

摘要：沙漠土壤蘊藏豐富的放線菌資源，尤其是稀有放線菌類群，是挖掘新放線菌資源的理想生境。本研究開展庫姆塔格沙漠可培養放線菌抑菌活性篩選，以期為該地區放線菌資源開發和利用提供菌株資源。根據分離菌株的16S rRNA基因序列分析放線菌多樣性；從庫姆塔格沙漠4份土樣中分離純化到370株放線菌，分布于11個目12個科的22個屬，其中鏈霉菌屬和糖絲菌屬為優勢菌屬，分別占分離放線菌菌株的63%和13.8%。對14株放線菌潛在新種（16S rRNA基因序列相似性低于98.65%）進行高氏一號、ISP2、TSB培養基液體發酵，獲得提取濃縮物樣品進行抑菌活性篩選，發現11株潛在新種的發酵產物有廣譜抗菌活性。本研究表明，庫姆塔格沙漠中含有豐富的放線菌資源，具有從中發現放線菌新菌種和抗生素的潛力。

關鍵詞：庫姆塔格沙漠；放線菌；16S rRNA基因測序；抑菌活性

中圖分類號：R978文獻標志碼：A

Assessment of the diversity and antibacterial potential of culturable actinomycetes in the Kumtag Desert

Li Jiahui1， Wen Ying2，3，4， Tian Mao2，3，4， Liu Guangxiu2，3， Zhang Wei2，3， Zhang Gaosen2，3， and Xue Lingui1

（1 College of Biological and Pharmaceutical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730000; 2 Key Laboratory of Desert and Desertification， Northwest Institute of Eco-Environment and Resources， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000;?3 Key Laboratory of Extreme Environmental Microbial Resources and Engineering， Lanzhou 730000;?4 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049）

Abstract Desert soil contains abundant actinomycetes， especially many rare strains， thus， it is an ideal habitat for excavating new actinomycete resources. In this study， the screening for antibacterial and culturable actinomycetes isolated from Kumtag Desert soil was carried out to provide strains for developing and utilizing actinomycete resources in this area. Actinomycete diversity was analyzed based on the 16S rRNA gene sequence of isolated strains; From 4 soil samples， 370 actinomycete strains， distributed in 22 genera of 12 families and 11 orders were isolated. Amongst them， Streptomyces and Saccharothrix were the dominant genera， accounting for 63% and 13.8% of the isolated actinomycete strains， respectively. Fourteen potential new actinomycete strains （16S rRNA gene sequence similarity less than 98.65%） were fermented in Gauze's synthetic， ISP2 and TSB broth media， respectively. Their fermentation broth was extracted for bacteriostatic activity screening， showing that fermentation products of 11 potential new species had broad-spectrum antibacterial activity. This study indicated that the Kumtag Desert was rich in actinomycete resources， for which potential new species of actinomycetes and antibiotics could be discovered.

Key wordsKumtag desert;? Actinomycetes; 16S rRNA gene sequencing;? Antibiotic activity

近年來，隨著“超級細菌”的不斷出現，耐藥菌對人類健康造成了極大威脅。據美國FDA新藥評價中心的數據，近30多年來新批準的抗生素數量逐年減少[1]，尋求高效新型抗生素刻不容緩。據統計，臨床上60%以上的抗生素來自放線菌[2-3]。目前，從傳統棲息地分離到的放線菌產生的抗生素大多是重復分離，成本高且效率低。所以，越來越多的研究人員正在探索從極端環境或地球上未開發的棲息地分離出新的放線菌資源[4-9]。極端環境放線菌可長期在多重脅迫因子例如高溫、低溫、高酸、高堿或高鹽等的極端環境中生長，使它們產生了獨特的基因型和生理特性[10]，具備產生新穎代謝產物的潛力[11]。

沙漠土壤蘊藏著豐富的稀有放線菌和放線菌新物種[12-15]。已從沙漠來源放線菌中分離得到多種具有新穎結構和生物活性的次級代謝產物。例如，在新疆沙漠中發現了一株諾卡菌屬新種Nocardia XJ31，并從中分離得到了12個鐵載體和2個蒽酮類化合物，其中10個鐵載體被鑒定為新化合物，2個蒽酮類化合物表現出較好的抗結核活性[16]；Liu等[17]從塔克拉瑪干沙漠分離到一株糖絲菌屬新種Saccharothrix 16Sb2-4，從中分離鑒定出了4種16元大環內酯類抗生素，這些化合物都通過抑制pDualrep2系統中的蛋白質合成而顯示出抗菌活性。此外，Boubetra等[18]在撒哈拉沙漠中獲得了一株糖絲菌屬Saccharothrix SA198，其產生的2個新骨架化合物A4和A5，具有顯著的抗細菌和真菌活性。因此，沙漠環境中的放線菌，具有巨大的潛在應用價值。

庫姆塔格沙漠位于塔里木盆地東南的阿爾金山北麓，區域降水極為稀少，年均蒸發量2800～3000 mm；年平均溫度10 ℃左右，是中國第四大流動沙漠，也是我國極為干旱、自然環境極為嚴酷的沙漠[19]。

目前，對該地區的細菌研究主要集中在可培養細菌多樣性、抗輻射抗氧化的特征及環境對細菌群落結構的影響等[20-22]，有關該地區放線菌多樣性及其抑菌活性菌株篩選鮮有報道。根據擴增子研究結果發現該地區細菌豐富度較高，放線菌門是主要的細菌門[20-21]。

另外，可培養研究也支持放線菌為該地區最主要優勢菌門的結論，其中鏈霉菌屬（9.08×105 CFU/g）為優勢菌屬，占分離出的放線菌門可培養細菌總數量的

92% [22]；柏曉玉等[20]對該地區細菌進行培養發現，鏈霉菌占所有可培養放線菌的65.76%。以上結果表明，庫姆塔格沙漠地區蘊含著豐富的放線菌資源，是挖掘極端放線菌資源的理想生境。

本研究對庫姆塔格沙漠放線菌進行分離培養、純化和活性測定，通過16S rRNA基因測序對培養獲得的菌株進行系統發育分析，并測定菌株的抑菌活性，以期為該地區放線菌資源開發和利用提供菌株資源。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土樣采集

2020年8月，采集庫姆塔格沙漠區土壤樣品4份，在對應地區進行編號（表1），每一樣點采集200～300 g/袋，用無菌采樣袋將所采集的樣品暫時4 ℃

低溫保存，然后在-20 ℃下進行保存，進行后續的可培養試驗。

1.1.2 培養基

（1）分離培養基 選用12種不同的培養基進行培養， 配方參考德國菌種保藏中心（https：//www.dsmz.de）的部分培養基。M1（高氏一號培養基G）；M2（淀粉酪蛋白瓊脂培養基SCA）；M3（胰酪大豆胨瓊脂培養基TSA）；M4（0.1×TSA）；M5（R2A）；M6（PYGV）；M7（甘油-天門冬酰胺培養基ISP5）；M8（MM）；M9（ISP3）；M10（胰蛋白胨大豆肉湯培養基TSB）；M11（0.1×TSB）；M12（腐殖酸維生素瓊脂培養基HVA）。

（2）純化培養基 ISP4培養基配方參考德國菌種保藏中心（https：//www.dsmz.de）。

（3）種子液培養基 0.1×TSA—胰蛋白胨1.7 g，

大豆蛋白胨0.3 g，NaCl 0.5 g，葡萄糖0.25 g，K2HPO4 0.05 g，H2O 1000 mL；R2A—R2A （BD，Difco） 3.2 g，H2O 1000 mL。

（4）發酵培養基 高氏一號、TSB和ISP2液體培養基配方參考德國菌種保藏中心，均不加瓊脂。

（5）檢定菌培養基 LB—胰蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，NaCl 5 g，H2O 1000 mL，瓊脂18 g。

1.1.3 主要儀器和試劑

生物安全柜（蘇州智凈凈化有限公司）；PCR擴增儀（吉泰生物有限公司）；電泳儀（山東博晟生物技術有限公司）；立式壓力蒸汽滅菌鍋（上海云泰儀器儀表有限公司）；旋轉蒸發儀（吉泰生物有限公司）；電熱恒溫培養箱和恒溫振蕩培養箱（上海一恒科學儀器有限公司）。

Ex Taq DNA聚合酶，南京諾唯贊生物科技股份有限公司；Agarose，蘭杰柯生物科技有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.1.4 指示菌株

革蘭陽性菌株：金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）、蠟樣芽胞桿菌（Bacillus cereus）、蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis）、藤黃微球菌（Micrococcus luteus）、巴氏葡萄球菌（Staphylococcus pasteuri）。

革蘭陰性菌株：大腸埃希菌（Escherichia coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneunoniae）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），以上供試菌由甘肅省極端環境微生物資源與工程重點實驗室提供。

1.2 方法

1.2.1 土壤樣品的處理

在生物安全柜中，取5 g土壤樣品置于50 mL裝有5～10個玻璃珠且滅過菌的錐形瓶中，再將20 mL已滅菌生理鹽水加入每個錐形瓶中，以200 r/min的速度在30℃恒溫搖床上振蕩40 min；振蕩后取出靜置

3 min，在900 ?L生理鹽水中加入上清液100 ?L，混合均勻后標記為原液的10-1，再進行10倍梯度稀釋至原液的10-5。在不同稀釋濃度的土壤懸液中吸取

200 ?L，在上述12種分離培養基中進行涂布，37 ℃下培養7～14 d，培養1周后對平板進行計數和不同形態、顏色菌落的挑取、分離和純化。

1.2.2 菌株的分離純化

觀察菌落形態，在同一分離平板內根據菌落形態特征去重后，挑取單菌落，編號，然后采用分區劃線的方法接種在ISP4固體培養基上進行菌株純化。

1.2.3 菌株的保藏

向凍存管（Corning，USA）中加入1.5 mL的25%的甘油水溶液，然后挑取已純化的放線菌，混合均勻后保存至-80 ℃冰箱中。

1.2.4 基于16S rRNA基因序列的放線菌多樣性分析

（1） 放線菌菌株基因組DNA提取? ? 放線菌基因組DNA的提取按照試劑盒Solarbio?LIFE SCIENCES（北京）步驟進行。

（2） 16S rRNA基因序列的PCR擴增? ? 以提取的放線菌總DNA為模板，根據（表2）中的條件和（表3）中的程序來進行擴增。

PCR擴增產物在1%瓊脂糖凝膠中進行電泳檢測，PCR擴增產物送至西安擎科生物技術有限公司進行16S rRNA基因測序。

（3）序列比對及系統發育樹的構建? ? 將菌株的16S rRNA基因序列在EzBioCloud數據庫進行比對（www.ezbiocloud.net）；使用MEGA 11.0軟件，采用鄰接法進行聚類分析，構建系統發育樹。系統進化矩陣采用Kimura two parameter模型進行評估，并重復取樣1000次進行自展值分析，以評估進化樹拓撲結構的穩定性。

1.2.5 放線菌抑菌活性檢測

（1） 首先，在固體培養基上挑取適量生長良好的菌株，并將其轉移到含有100 mL適合其生長的液體培養基的500 mL錐形瓶中。然后，放入搖床中，在180 r/min、30 ℃的條件下震蕩培養2 d。接下來，加入高氏一號發酵培養基或TSB或ISP2，繼續培養7 d。

完成發酵后，用8000 r/min的離心條件去除菌體，留下上清液，再用等量的乙酸乙酯萃取上清液。最后，使用旋轉蒸發儀將提取物濃縮，再用2 mL甲醇溶解即可得到乙酸乙酯粗提物。

（2） 將實驗室保存的指示菌接種到LB固體培養基中進行活化，接著，挑取活化好的指示菌加入到含有20 mL LB液體培養基的50 mL離心管中，在37 ℃、

180 r/min的搖床上震蕩培養24～48 h，直至菌液生長繁殖。同時，配制LB固體培養基，并將其溫度降至約55 ℃左右。隨后，將0.1%的指示菌懸液加入到LB固體培養基中，并傾注于方形平板備用。

（3） 待上述方形平板的培養基凝固后，用5～6 mm的打孔器在方形平板上間隔1 cm打出小孔，吸取

20 μL乙酸乙酯粗提物注入小孔中，每個平板上留出一個孔加入20 μL濃度為? 2 mg/mL的卡那霉素作為陽性對照，37 ℃培養24～48 h后觀察并記錄抑菌圈的有無和大小。

2 結果與分析

2.1 庫姆塔格沙漠可培養放線菌數量特征

培養初期（2周后），對庫姆塔格沙漠的兩個樣地（HLES和HLBS）放線菌進行了分離，計數不同培養基中分離到的菌落總數及放線菌數目（圖1）所示。M8中分離到的細菌菌落數目最多，達1.12×104 CFU/g，M7分離到的菌落數最少（0.58×103 CFU/g）。從分離到的放線菌數來看，M1中分離到的放線菌數量最多（1.88×103 CFU/g），M12的最少（0.2×103 CFU/g）。綜合菌落數目，M8、M1、M4 3種培養基的分離效果較好；而在M5培養基的平板上觀察發現，菌落的種類相較于其他培養基較高。因此，選擇這4種培養基來分離培養SSD和HMX兩個樣地的土壤放線菌。

2.2 庫姆塔格沙漠可培養放線菌的多樣性分析

從庫姆塔格沙漠地區的土壤樣品中分離純化獲得的純培養物根據菌落形態、顏色、大小等特征進行初步重排，選擇420株菌進行16S rRNA基因擴增和序列比對，結果表明，其中370株為放線菌，根據最新文獻的修訂[23]，可以分為79個不同放線菌分類單元。它們隸屬于11個目12個科的22個屬，分離結果如（表4）所示，分別為：鏈霉菌屬（Streptomyces）、糖絲菌屬（Saccharothrix）、倫茨菌屬（Lentzea）、假諾卡菌屬（Pseudonocardia）、放線動孢菌屬（Actinokineospora）、擬孢囊菌屬（Kibdelosporangium）、擬無枝菌酸菌屬（Amycolatopsis）、小單孢菌屬（Micromonospora）、原小單孢菌屬（Promicromonospora）、壤球菌屬（Agrococcus）、節桿菌屬（Arthrobacter）、戈登菌屬（Gordonia）、擬諾卡菌屬（Nocardiopsis）、貧養桿菌屬（Modestobacter）、芽生球菌屬（Blastococcus）、動球菌屬（Kineococcus）、浮霉狀菌屬（Planctomonas）、微桿菌屬（Microbacterium）、考克菌屬（Kocuria）、污物假節桿菌屬（Pseudarthrobacter）、Auraticoccus、類諾卡菌屬（Nocardioides）。其中，鏈霉菌屬為庫姆塔格沙漠地區的優勢菌屬，共分離到233株，占分離到的放線菌菌株數量的63%，其次是糖絲菌屬、倫茨菌屬和節桿菌屬，分別占13.8%、4.3%和3.8%。此外，其余菌屬都不超過10株。部分代表菌株及其同源菌株基于16S rRNA基因序列構建的Neighbour-joining系統進化樹見（圖2）。

2.3 可培養放線菌潛在新種分析

根據放線菌的16S rRNA基因序列相似性低于98.65%可以被認為是不同物種的原則[9]。對分離到的可培養放線菌進行了潛在新穎性分析，結果顯示，共有14株放線菌的16S rRNA基因序列與其最近緣的典型菌株序列相似性均低于98.65%，其中，鏈霉菌屬7株，倫茨菌屬、貧養桿菌屬、污物假節桿菌屬、類諾卡菌屬、節桿菌屬、動球菌屬和糖絲菌屬各1株，其相似性處于95.79%～98.64%之間。14株潛在放線菌新種中，6株是從HMX樣地分離得到，4株是從SSD樣地分離得到，4株是從HLES樣地中分離得到，1株是從HLBS樣地中分離得到，具體見表5。

2.4 抑菌活性篩選結果

對14株潛在放線菌新種分別進行了不同發酵培養基的搖瓶發酵，菌株發酵液乙酸乙酯萃取濃縮物對9種指示菌的抑菌活性統計結果顯示（表6），不論是哪種發酵培養基，所有的檢測菌株都至少對一種指示菌具有抑菌活性。部分菌株抑菌活性檢測結果見（圖3）。

其中，高氏一號培養基發酵時，SSD54、HMX87、HMX112、HMX145、HLES74、HLES54的發酵液乙酸乙酯萃取物對6種及以上指示菌有抑制作用，具有廣譜抗菌活性，包括3株鏈霉菌和3株稀有放線菌（假諾卡菌屬、節桿菌屬和倫茨菌屬）。HMX145、HMX169、HLES74的發酵液乙酸乙酯萃取物均對3種指示菌表現出強抑菌活性（抑菌圈直徑>20.00 mm）；而僅有HMX87對大腸埃希菌有良好的抑制作用，抑菌圈直徑達17.00 mm。

ISP2培養基發酵時，SSD35、HMX87、HMX169、SSD95、HLES74、HLES153發酵液乙酸乙酯萃取物對6種及以上指示菌有抑制作用，同樣具有廣譜抗菌活性。但是，ISP2培養基發酵時，所有菌株的發酵液乙酸乙酯萃取物抑菌活性良好（抑菌圈直徑<20.00 mm）。

TSB培養基發酵時，SSD35、HMX112、HMX169、HMX40、HLES54發酵液乙酸乙酯萃取物對6種及以上指示菌有抑制作用，具有廣譜抗菌活性。同樣，TSB培養基發酵時，只有HMX112對巴氏葡萄球菌和蘇云金芽胞桿菌表現出顯著的抑菌活性（抑菌圈直徑>25.00 mm），并且其抑菌圈直徑均大于陽性對照組；其他菌株的發酵液乙酸乙酯萃取物抑菌活性均良好（抑菌圈直徑<20.00 mm）。

3 結論與討論

來自庫姆塔格沙漠區4份土壤樣品中，分離到可培養的放線菌370株，分布于11個目12個科的22個屬，除分離到鏈霉菌屬外，還包括糖絲菌屬、倫茨菌屬、污物假節桿菌屬、擬孢囊菌屬、貧養桿菌屬、芽生球菌屬、浮霉狀菌屬、類諾卡菌屬等21個稀有放線菌屬，其中包括14株潛在放線菌新種。已有研究表明，從塔克拉瑪干沙漠中分離到的放線菌分屬于16科24屬，鏈霉菌屬和擬諾卡菌屬為優勢菌屬，還分離到類諾卡菌屬、庫克菌屬、糖單胞菌屬、迪茨菌屬等稀有放線菌[11]。另外，在西藏仲巴五彩沙漠中，優勢菌仍然是鏈霉菌屬，還有諾卡菌屬、倫茨菌屬、考克菌屬、糖絲菌屬和動球菌屬等放線菌[9]。本研究從庫姆塔格沙漠分離的放線菌中，鏈霉菌屬也為優勢菌屬，這可能與其能夠產生抗干燥和耐熱的孢子有關，孢子可以在干燥環境中長期存在[24]。而與文獻不同的是本研究還分離到了擬孢囊菌屬、貧養桿菌屬、芽生球菌屬、浮霉狀菌屬、污物假節桿菌屬等一些稀有放線菌屬。

70%的天然抗生素都是由放線菌產生的[25-27]。沙漠環境中的放線菌尤其是一些新物種已成為了新穎多樣的次級代謝產物和新型抗生素的重要來源，例如，Abdelkader等[28]從分離自阿塔卡馬沙漠土壤的鏈霉菌Streptomyces asenjonii KNN42.f中分離到3個具有廣譜抗菌活性的新β-二酮類化合物；Bao等[29]從1株來自西藏仲巴五彩沙漠土壤的鏈霉菌XZH99T中分離到了7個angucycline類抗生素，其中3個為新化合物。活性檢測表明，這些化合物對人腫瘤細胞具有顯著的細胞毒性；從塔克拉瑪干沙漠中分離出一株鏈霉菌8P21H-1，其表現出強大的抗菌活性和對蛋白質生物合成的抑制活性，通過分離得到乙酰灰綠蛋白和脫硫灰綠蛋白[30]；此外，1株從阿根廷阿塔卡瑪沙漠分離出的鏈霉菌新種Steptomyces leeuwenhoeki C34T，能夠產生罕見的二十二元大環內酯類抗生素Chaxalactins A～C和新型安莎類抗生素chaxamycins A～D，這些新型抗生素具有良好的熱穩定性和溶解性，并且表現出抗菌和抗腫瘤活性[31-32]。從沙漠放線菌中分離到具有良好的抗菌、抗腫瘤活性的物質，對生物醫藥領域具有積極影響。

本研究通過對14株潛在放線菌新種進行液體發酵及抑菌活性檢測發現，它們至少對1種檢定菌有抑菌活性，且對革蘭陽性菌的抑制效果強于革蘭陰性菌；其中，抑制蘇云金芽胞桿菌的效果最為突出，抑菌活性最強的是利用TSB發酵的HMX112菌株，對巴氏葡萄球菌有顯著的抑制效果，抑菌圈直徑達30.30 mm，而陽性對照卡那霉素（2 mg/mL）抑制巴氏葡萄球菌的抑菌圈為21.30 mm，表明HMX112的抑菌活性極強；14株潛在放線菌新種中有11株對6種及以上指示菌有抑制作用，具有廣譜的抑菌活性，其次級代謝產物值得下一步研究。此外，菌株HLES74、HMX112、HMX145、HMX169對革蘭陽性菌（Staphylococcus aureus、Staphylococcus pasteuri、Bacillus thuringiensis、Staphylococcus epidermidis）較強的抑制效果，抑菌圈直徑均大于20.00 mm，其中包括鏈霉菌、節桿菌、動球菌。本研究獲得的菌株為篩選相應活性物質或挖掘新的生物活性物質提供了豐富的菌種資源，后續有待通過基因組信息分析、質譜分子網絡技術[33]分析菌株次級代謝產物的產生能力，以進行進一步的次級代謝產物化學研究。

綜上所述，庫姆塔格沙漠環境中放線菌資源豐富并且一些潛在放線菌新種的抑菌活性較好，具有產生活性次級代謝產物的潛力。本研究為庫姆塔格沙漠放線菌挖掘提供了經驗，并獲得了一批具有潛在應用價值的抑菌活性菌株，是后續挖掘沙漠放線菌高活性天然產物的基礎。

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基金項目：第三次新疆綜合科學考察項目（No. 2022xjkk1200）；國家自然科學基金（No. U22A20451）；中國科學院“西部之光”計劃（No. xbzg-zdsys-202105）；甘肅省科技計劃項目（No. 23JRRA574）。

作者簡介：李佳慧，女，生于1997年，碩士，研究方向：極端環境微生物學、微生物工程、應用微生物學，E-mail： 2051005547@qq.com

*通信作者，E-mail： xuelg@mail.lzjtu.cn