0 引 言
海洋环境以寡营养、低温、低氧和高压为特点,不同的水平分布和垂直深度形成了冰川、海泥、珊瑚礁、红树林、热液和冷泉等多样的生态环境,孕育了大量特有和未被发现的微生物资源,近年来成为微生物菌种资源分离的热点地区。同时,海洋微生物产生了丰富的次级代谢产物。目前从海洋环境中已经分离得到多种具有抗肿瘤、抗菌、抗病毒等活性的新颖化合物
[1],有望在工业和医药领域得到进一步开发利用。王怡婷
[2]从9个胶州湾沉积物中分离到208株细菌并进行功能基因筛选,发现16株菌具有I型聚酮合酶(PKS I)和非核糖体肽合成酶(NRPS)功能基因,表明其具有产生物活性次级代谢产物的潜力。对6份南极罗斯海沉积物中可培养微生物的低温酶活性进行了研究,发现69%以上的细菌可产生α⁃葡萄糖苷酶、蛋白酶、脲酶、
β⁃半乳糖苷酶
[3]。此外,深海热液口等极端环境中的嗜热古菌具有产生极端高温酶的特性
[4]。当前使用的抗生素caprolactin是从5 065 m的深海沉积物微生物中分离得到
[5],表明海洋来源的微生物具有广阔的利用前景。
由于实验室培养条件的限制,人工分离培养的微生物仅占环境中所有微生物类群的一小部分。目前通过传统和普遍的培养条件已经难以获得新颖的可培养微生物类群。由此研究人员开始尝试改变和革新微生物的纯培养分离方法与技术。Schut等
[6]创立了稀释培养法,将海洋样品中微生物群落稀释后接种于灭菌海水中进行培养,获得了37株形态微小的海洋专性寡营养细菌。采用寡营养浓度的培养基获得变形菌(
Arcobacter sp.)等海洋细菌新类群
[7]。在渤海淤泥样品进行细菌分离培养过程中发现0%~5%NaCl盐度下物种多样性和丰度较高
[8]。此外,新技术的发展如微生物微囊包埋技术
[9]和高通量培养法
[10]等为微生物菌种资源的分离提供了新途径。本研究基于传统的微生物分离培养方法,从改变微生物分离培养条件出发,通过设置不同的温度和盐度、培养pH、培养基浓度、样品稀释倍数等分离培养条件,用于探究海洋可培养细菌类群的多样性以及不同的分离培养条件对新颖微生物类群获取的影响。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 南海沉积物样品信息
本研究所用南海沉积物样品编号为16ZBS07,于2016年9月在南海中部(20.505°N, 116.502°E)通过抓斗采集器获得,采样深度为460 m。样品自采集后装入无菌塑料保藏袋,放入-20 ℃冰箱中长期储存。
1.1.2 主要试剂和仪器
细菌16S rRNA基因扩增的通用引物27F(5'⁃AGAGTTTGATCCTGGCTCAG⁃3')和1492R(5'⁃TACGGCTACCTTGTTACGACTT⁃3')由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。5%Chelex⁃100试剂:5 g Chelex 100 Resin (Bio⁃rad, USA), 100 mL灭菌超纯水;Taq DNA聚合酶、dNTP,Marker(北京全式金); PCR 仪(Eppendorf, German);凝胶成像系统(Bio⁃rad, USA);小型台式高速离心机和恒温培养箱(ESCO, Singapore)。
1.1.3 培养基
本研究采用了9种培养基进行微生物分离培养,培养基信息及具体成分如
表1所示。
1.2 不同分离培养条件下的样品涂布
1.2.1 不同培养温度
选择MA和R2A作为分离培养基,不同的培养温度设置为:4 °C、10 °C、20 °C、30 °C、50 °C和60 °C。称取2.0 g南海沉积物样品于灭菌离心管中,加入40 mL灭菌海水并颠倒混匀。取200 μL至分离培养基后使用无菌涂布棒涂布,分别放入不同温度的恒温培养箱中倒置培养,由于50 °C和60 °C条件下培养基有较快的蒸发速度,所以该条件下培养1周即开始进行菌株的分离与纯化,其余温度的培养基培养时间为1个月,每个温度梯度设置2个相同的平板作为平行。
1.2.2 不同培养盐度
选择MA和R2A作为分离培养基,在原培养基基础上分别添加5%、10%和15%(m/V)的NaCl,同时配置不添加NaCl的培养基作为对照。沉积物样品涂布过程与1.2.1一致。倒置培养于28 °C恒温培养箱中,培养时间为1个月,每个盐度梯度设置2个相同的平板作为平行。
1.2.3 不同培养pH
选择SN、MA和AM作为基础培养基,在培养基凝固前分别采用柠檬酸⁃柠檬酸钠缓冲溶液和KH2PO4/NaOH缓冲溶液将培养基pH分别调至5、6、7、8。沉积物样品涂布过程与1.2.1一致。倒置培养于28 °C恒温培养箱中,培养时间为1个月,每个pH梯度设置2个相同的平板作为平行。
1.2.4 不同样品稀释倍数
选择SN、MA、R2A和R作为分离培养基,称取2.0 g南海沉积物样品于灭菌离心管中,加入4 mL灭菌海水稀释至2倍(灭菌海水体积/样品质量),再将样品分别梯度稀释至20、200、2 000倍。取200 μL至分离培养基后使用无菌涂布棒涂布;倒置培养于28 °C恒温培养箱中,培养时间为1个月,每个稀释倍数设置2个相同的平板作为平行。
1.2.5 不同营养浓度培养基
选择MA、R2A、AM、GYM、SN和BG11作为分离培养基,其中MA培养基按配方比例5%、10%、50%、100%配置,R2A培养基按配方比例10%、50%、100%配置,R2AM培养基为R2A培养基添加一定量的无机盐(详见
表1)。AM按原始比例配置,AMC培养基为AM培养基中添加0.05%酪蛋白水解物。同时选取富营养的GYM培养基和寡营养的SN、BG11培养基。沉积物样品涂布过程与1.2.1一致。倒置培养于28 °C恒温培养箱中,培养时间为1个月,每个稀释倍数设置2个相同的平板作为平行。
1.3 菌株的分离、纯化与保藏
将涂布好的分离培养基倒置培养于对应温度的恒温培养箱中,到达相应培养时间后挑取培养基中所有的单菌落接种至MA培养基中进行分离纯化,待菌落长出后将菌种转入25%(m/V)甘油管中,放置于-80°C冰箱中保藏。
1.4 DNA的提取与鉴定
细菌DNA通过5%Chelex⁃100试剂提取,采用细菌16S rRNA基因扩增的通用引物27F和1492R进行PCR扩增。细菌16S rRNA基因的PCR产物经琼脂糖凝胶电泳检测后,送至广州天一辉远测序公司进行基因测序。测序结果采用SeqMan 5.0软件进行拼接后上传至EzBioCloud网站进行最相近种比对(
https://www.ezbiocloud.net/identify)。采用MEGA 7软件
[11]进行菌株的系统发育分析,算法采用邻接法(neighbor⁃joining),距离模型为Kimura2⁃parameter model,自展值设定为1 000。
2 结果与分析
2.1 南海沉积物可培养细菌多样性
经过样品涂布和菌种分离纯化,本研究共获得825株细菌。获得的细菌分属于5个门,8个纲,17个目,26个科,57个属,与目前198个已知种相近。5个主要的细菌门类分别为厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和异常球菌⁃栖热菌门(Deinococcus⁃Thermus),其中属于厚壁菌门的菌株占所有分离菌株的86%,为主要的纯培养类群;其余为放线菌门(13%)、变形菌门(1%)、拟杆菌门(小于1%)和异常球菌⁃栖热菌门(小于1%)。分离到最多的属级类群为芽胞杆菌属(
Bacillus)(379株)和深海芽胞杆菌属(
Thalassobacillus)(88株)。
图1展示了纯培养菌株在不同属级和门级类群所占的比例。
2.2 潜在新物种信息
本实验共分离得到29株潜在新种(以16S rRNA基因相似度大于97%时看作为同一物种
[12]),其与目前发表的最相近菌种的16S rRNA基因相似度范围在88.59%~96.91%,其中低于95%的有12株。
图2为潜在新种与已知物种的系统进化发育树和其16S rRNA基因序列在EzBioCloud数据库的比对结果。其中20株潜在新种属于厚壁菌门芽胞杆菌目(Bacillales)。根据文献[
13],本研究将放线菌门中属级及以上分类单元和纯培养菌株数量较少的纲级类群视为稀有的放线菌类群。获得的8株潜在新种属于放线菌门,除了可培养性较高的放线菌纲(Actinobacteria),还包括酸微菌纲(Acidimicrobiia)、嗜热油菌纲(Thermoleophilia)和红色杆菌纲(Rubrobacteria)等稀有放线菌类群。此外,1株特吕珀菌属(
Truepera)潜在新种属于异常球菌⁃栖热菌门,该类群是细菌域中较为古老的分支
[14]。
2.3 不同分离培养条件下细菌多样性的比较
2.3.1 不同温度培养条件的细菌多样性
从不同的温度梯度分离培养实验中获得91株细菌,全部归类为放线菌门和厚壁菌门,
图3统计并展示了菌株数量与种类随温度变化情况。在4 °C培养条件下获得6个放线菌属级类群和2个厚壁菌属级类群;在10 °C和20 °C培养条件下均获得1个放线菌属级类群和2个厚壁菌属级类群;在30 °C、50 °C和60 °C培养条件下只获得2、3、3个厚壁菌属级类群。结果表明平板上放线菌菌株数量和多样性随着培养温度的升高而降低,而以芽胞杆菌为代表的厚壁菌类群在除了在4 °C低温条件下获得量较少,在其余温度条件下均有较多的获得类群。其中芽胞杆菌属在4 °C~60 °C培养条件都有获得。在60°C条件下获得1株芽胞杆菌属潜在新种(
Bacillus sp.) SCSIO t00235,其与最相近菌株的16S rRNA基因序列相似度为96.59%。同时还得到5株短芽胞杆菌属潜在新种(
Brevibacillus sp.) SCSIO t00237等,经16S rRNA基因序列比对发现这5株菌株均为同一物种,与目前最相近菌的相似度分别为96.76%~96.95%,表明60 °C极端培养温度有利于耐热类群的获取。
2.3.2 不同盐度培养条件的细菌多样性
从不同的盐度梯度分离培养实验中获得281株细菌,属于厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和拟杆菌门,
图4统计并展示了菌株数量与种类随盐度变化情况。结果显示厚壁菌属级类群多样性和菌株数量在5%NaCl (
m/
V)浓度时最高,但当NaCl浓度增加至10%以上时明显减少;而放线菌类群多样性和菌株数量在0%NaCl (
m/
V)时最高,其后随盐度增加而降低。同时,芽胞杆菌属和嗜盐芽胞杆菌属(
Halobacillus)具有较强的耐盐特性,在0%~15% NaCl (
m/
V)浓度的培养基中均有分离得到。此外,拟杆菌和变形菌的获得数量较少,与培养基盐度无显著关联。从盐度梯度实验共获得6株芽胞杆菌目潜在新种菌株,其中0%和5%NaCl (
m/
V)浓度条件下分别获得2株,其余盐度条件均获得1株潜在新物种。在所有盐度培养条件中厚壁菌门类群为可培养优势类群,而放线菌多样性随着培养基盐度的增加而明显降低。
2.3.3 不同pH培养条件的细菌多样性
从不同pH分离培养实验中共获得47株细菌,其中22株属于放线菌门,25株为厚壁菌门。
图5为不同pH下各门级类群的菌株数量和属级类群的变化情况,放线菌类群在pH 5时获得菌株最少,在pH为6和8时出现可培养属级类群最多。而厚壁菌门类群在pH为6时可培养属级类群多样性和菌株数量最多。此外,从pH 6的分离培养基上获得2株稀有放线菌类群潜在新种海生小菌属(
Thalassiella sp.)SCSIO 59966和土壤类红色杆菌属(
Solirubrobacter sp.)SCSIO 60955,其与已知最相近菌株16S rRNA基因序列的相似度分别为96.03%和88.59%。厚壁菌在pH 5~6的培养条件下菌株数量较多,表明该类群对酸性条件具有一定的耐受性。但pH 7~8时放线菌菌株数量多于厚壁菌。
2.3.4 不同样品稀释倍数的细菌多样性
从2~2 000倍样品稀释实验中共分离获得291株细菌,隶属于放线菌门和厚壁菌门。
图6展示了不同稀释倍数下的菌株数量和物种个数情况,当样品稀释倍数为2~200倍时,获得的放线菌菌株数量范围为6~8株,物种数量均为5;获得的厚壁菌菌株数量范围为10~184株,物种数量为10~61;2 000倍稀释时仅分离到厚壁菌门菌株。随着样品稀释倍数的增加,分离到的厚壁菌门菌株数量和物种数量明显减少,但放线菌门菌株和物种数量无明显变化,表明该样品2~200倍稀释时对放线菌菌株数量和物种多样性的影响较小,对厚壁菌菌株数量和物种多样性的影响较大。而当样品稀释倍数达到2 000倍时没有分离到放线菌菌株,原因可能是其中的放线菌类群被严重稀释所致。
2.3.5 不同营养浓度培养基的细菌多样性
从不同营养浓度培养实验中获得115株纯培养菌株。
图7展示了不同营养浓度培养基中细菌的属级类群数量、物种数量和潜在新种个数。结果显示随着培养基营养浓度降低,可培养微生物属级和物种的数量具有下降趋势。5%~100%浓度的MA和R2A培养基均能分离到潜在新种,但营养浓度较低的培养基更容易获得稀有和难培养的细菌类群,例如从5%MA和50%MA培养基获得的2株潜在新种属于稀有放线菌类群酸微菌和红色杆菌,与最近物种的16S rRNA相似度为95.62%和95.33%。而从100%MA和100%R2AM培养基中获得的4株潜在新种均属于实验室条件下易培养的Paenibacillaceae科,与最近物种的16S rRNA相似度为92.27%~96.61%。此外,与仅含无机物和琼脂的酸微菌培养基AM相比,添加了酪蛋白水解物(0.5 g/L)的酸微菌培养基AMC分离到稀有红色杆菌(
Rubrobacter sp.)SCSIO 59403和异常球菌(
Truepera sp.)SCSIO 60831的潜在新种,与最近物种16S rRNA相似度分别为95.62%和93.55%。虽然从富营养的GYM培养基中获得的菌株数量最多,但并未获得潜在新种。而从寡营养的SN和BG11培养基分别得到1株潜在类芽胞杆菌新种(
Paenibacillus sp.)SCSIO 61546和1株嗜热油菌新种(
Conexibacter sp.)SCSIO 61508,与最相近物种16S rRNA相似度分别为92.92%和90.78%。总体来看,培养基中可培养属级类群多样性和物种数量随着营养浓度的降低而下降,寡培养基有利于获得稀有和新的微生物类群。
2.3.6 不同分离培养条件下细菌的新颖性比较
本研究中不同分离培养条件下获得细菌潜在新种菌株数和潜在新种个数的比较结果如
表2所示,表明潜在新种菌株获取量最多的培养条件为60 °C培养温度,第二是寡营养浓度培养基(AM、AMC、SN、BG11),其次为0%~5%盐度、pH 6和2倍样品稀释倍数。合并16S rRNA基因序列相似度大于97%的菌株后得到新种个数,表明从有机营养物含量低于0.05%的寡营养浓度培养基(AM、AMC、SN、BG11)中获得的新种多样性最高,而60 °C、0%~5%盐度、pH 6和2倍的样品稀释倍数次之。总体上看,采用有机营养物含量低于0.05%的寡营养浓度培养基(如AM、AMC、SN、BG11)可以获得多样的菌株新资源,同时60 °C极端高温培养条件对芽孢杆菌类新物种也有较好的选择性。
2.4 难培养微生物类群的选择性分离情况
研究者将环境中丰度较高、但在实验条件下培养率较低的海洋微生物称为难培养微生物类群,并总结出寡营养培养手段对海洋难培养微生物类群具有较好的分离效果
[15]。本研究对南海沉积物样品采用多种分离培养条件,分离得到放线菌门和异常球菌⁃栖热菌门难培养微生物类群,包括酸微菌纲、红色杆菌纲、嗜热油菌纲和异常球菌纲的8个潜在新种分类单元,其16S rRNA基因与最近物种相似度范围为88.59%~95.62%。
表3总结了稀有难培养的微生物类群的获得情况与分离条件,除菌株(
Solirubrobacter sp.) SCSIO 60955从pH为6的MA培养基中获得,其余菌株都是在营养浓度较低的培养基中分离得到,为寡营养培养基有利于稀有和难培养微生物类群的分离培养提供了证据。
3 讨 论
本研究通过设计不同的分离培养条件,对南海沉积物进行可培养细菌多样性探究。结果表明在不同分离培养条件下该南海沉积物样品的主要可培养细菌为厚壁菌门类群,该类群具有产芽孢抗逆性,在实验室多样的培养基条件下均能快速生长。第二优势培养类群为放线菌门类群,其中8株放线菌为潜在新种,表明南海沉积物环境中具有较好的可培养放线菌多样性。同时获得了变形菌门和异常球菌⁃栖热菌门菌株。根据29个南海沉积物样品的免培养多样性分析结果,南海沉积物样品中的免培养优势类群为变形菌门、浮霉菌门(Planctomycete)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和绿弯菌门(Chloroflexi),其中变形菌门的检测丰度为11.33%~35.23%
[16]。但由于培养条件的限制而在本研究中仅获得4株变形菌,并未获得浮霉菌门等其它免培养优势类群。
本研究首先探究了不同培养温度和盐度对可培养细菌类群多样性的影响。结果表明随着温度和盐度条件的升高,放线菌类群获得数量显著降低,而厚壁菌类群在多种培养条件下均是最优势的可培养类群,显示出其广泛的环境适应性。同时,厚壁菌类群在50 °C和5%盐度培养条件下物种多样性最高;高温和高盐等极端的培养条件有利于得到厚壁菌潜在新种,而放线菌类群在低温和低盐度条件下获得的数量明显多于高温条件,由此可见低温和低盐度条件更有利于放线菌类群的分离。由样品梯度稀释实验发现分离得到的放线菌菌株在样品2~200倍稀释时数量相近,但厚壁菌类群数量随着样品稀释倍数的增加而明显减少,这为海洋放线菌类群后期的分离培养提供了参考。
南海沉积环境的pH范围在7~8之间,但不同微生物类群最适生长pH存在差异。本实验采用了pH 5~8的分离培养基对南海沉积物样品进行可培养细菌类群分离,结果表明芽胞杆菌属的菌株均为主要的纯培养类群,pH 8条件下获得的细菌类群多样性最高,其次为pH 6、7和5。此外,pH 6的分离培养条件有助于稀有放线菌类群的获得。
海洋环境以寡营养为主要特点,因此本实验探究了不同营养浓度培养基对样品中不同细菌类群的分离效果。结果表明菌株获得量随着营养浓度的降低而减少。从营养浓度较高的100%MA培养基和100%R2AM培养基中获得的4株潜在新种为类芽胞杆菌;从50%和5%MA培养基获得了2株稀有放线菌红色杆菌和酸微菌潜在新种;从寡营养的BG11培养基分离得到1株嗜热油菌潜在新属种;从AMC培养基中获得稀有红色杆菌和异常球菌类群,而AM培养基并无稀有类群获得,由此推测0.05%有机营养物质含量有助于稀有微生物类群的分离培养,而当培养基中有机营养物质含量超过0.05%时(例如100%MA和100%R2A),样品中的稀有类群获得数量减少,芽胞杆菌类群数量增加。
前人对南海沉积环境微生物进行了一些研究,采用M2平板固体培养基从南沙海域37个沉积物样品中获得349株细菌,芽胞杆菌为主要可培养类群,其次为变形菌
[17]。采用MA培养基对20个南海沉积物样品进行可培养细菌多样性分析,获得的优势培养类群同样为芽孢杆菌(55.6%)
[18]。对29个南海沉积物样品和2个印度洋样品进行了纯培养分析,选择了不同的温度梯度(4 °C~60 °C)和31种培养基等多种培养条件,获得了154株放线菌红色杆菌属类群
[16]。本研究结果表明,对于所选取的南海沉积物样品,寡营养浓度培养基(AM、AMC、SN、BG11)和60 °C培养温度对潜在新种的分离培养效果最佳。可能因为寡营养浓度培养基适应了海洋环境中寡营养菌的生长需求
[15],而60 °C培养对较少见的高温耐受菌具有良好的选择效果。另外20倍的样品稀释倍数、pH 6和0.05%以下的有机营养物浓度更有利于稀有类群的分离培养。推测原因可能是这些培养条件更接近自然环境,或降低了人造环境对微生物的生长压力,从而满足了稀有细菌类群的生长需求。由于实验条件的局限性,海洋环境样品中还存在大量未获得分离培养的细菌类群,海洋微生物新资源的开发利用不仅有助于微生物菌种资源库的壮大,同时还为新颖活性物质的发现提供优质资源。因此需要根据已有的分离方法进行不断的革新与尝试,针对稀有的细菌类群设计不同的分离方案,对潜在的未知海洋微生物资源进行系统地开发才能更好地加以利用。