王良才 姜黎明 康子騰 柳陳堅(jiān) 李曉然 羅義勇
摘 要:植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)是發(fā)酵食品中常見的一種益生菌,群體感應(yīng)(quorum sensing,Qs)是細(xì)菌進(jìn)行信號(hào)交流的一種普遍方式,Lb.plantarum是否通過(guò)QS介導(dǎo)著其益生特性尚不清楚。為了探索Lb.plantarum AY01是否通過(guò)AI-2/LuxS QS系統(tǒng)介導(dǎo)其對(duì)常見食源性病原菌的抑制,首先運(yùn)用半定量PCR方法,研究了AY01在不同生長(zhǎng)階段luxS基因(合成Qs信號(hào)分子AI-2的關(guān)鍵基因)的表達(dá)情況;然后,利用牛津杯抑菌法研究了AY01對(duì)食源性病原菌腸出血性大腸桿菌(enterohemorrhagic Escherichia coli,EHEC)0157:H7、單核細(xì)胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抑菌效果。研究發(fā)現(xiàn):1)Lb.plantarum AY01 luxS基因在指數(shù)早期沒有表達(dá),指數(shù)中期出現(xiàn)表達(dá),指數(shù)末期表達(dá)量明顯增加,并于穩(wěn)定中期達(dá)到最大值;2)AY01培養(yǎng)上清液對(duì)EHEC 0157:H7、L.monocytogenes、S.aureus均有抑茵效果,抑菌效果與;luxS基因表達(dá)趨勢(shì)一致,即隨AY01生長(zhǎng)時(shí)間的增加抑菌呈現(xiàn)增加變化,到穩(wěn)定期達(dá)到最大抑茵效果。結(jié)果表明,Lb.plantarum AY01可能通過(guò)AI-2/LuxS QS系統(tǒng)介導(dǎo)其對(duì)常見食源性病原菌的抑制。
關(guān)鍵詞:植物乳桿菌;luxS基因;表達(dá);抑茵;群體感應(yīng)
中圖分類號(hào):Q786
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1007-7847(2014)03-0199-06
乳桿菌(Lactobacillus)是乳酸菌(lactic acidbacteria,LAB)最大的一個(gè)屬,因其形態(tài)呈桿狀或球狀以及能發(fā)酵碳水化合物(主要為葡萄糖)并產(chǎn)生大量乳酸而得名[1]。作為乳桿菌一個(gè)主要的種,植物乳桿菌(Lb.plantarum)具有很多益生功能[2],其中對(duì)病原菌的抑制功能得到了最廣泛的研究。2011年Moslehi-Jenabian等[3]將病原菌單核細(xì)胞增生李斯特菌(Listeria mono-cytogenes)與嗜酸乳桿菌(Lb.acidophilus)NCFM共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)L.monocy-togenes生長(zhǎng)明顯受到影響,而Lb.acidophilusNCFM的生長(zhǎng)幾乎沒有變化,說(shuō)明Lb.acidophilusNCFM對(duì)病原菌L.monocytogenes具有很好的抑菌效果。Kim等[4]研究發(fā)現(xiàn),Lb. acidophilus A4除了能抑制L.monocyogenes的生長(zhǎng)外,對(duì)腸出血性大腸桿菌(enterohemorrhagic Escherichia coli,EHEC)0157:H7同樣具有抑制功能。此外,本實(shí)驗(yàn)室之前的研究顯示,Lb.plantarum,是一種具有廣譜抑菌性的乳酸菌,不僅能抑制同種或近親源關(guān)系的細(xì)菌,還能抑制大多數(shù)病原菌如E.coli、L.mono-cytogenes、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和鼠傷寒沙門氏菌(Sal-monella typhimurium)等菌株[5,6]。
群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)是細(xì)菌間通過(guò)化學(xué)信號(hào)分子進(jìn)行信息傳遞的一種形式。根據(jù)細(xì)菌信號(hào)分子種類的不同,QS系統(tǒng)可分為4種代表性的類型:1)革蘭氏陽(yáng)性(G+)細(xì)菌中的種內(nèi)信號(hào)通訊使用的語(yǔ)言是寡肽;2)革蘭氏陰性fG)細(xì)菌利用?;呓z氨酸內(nèi)酯作為信號(hào)分子實(shí)現(xiàn)種內(nèi)細(xì)胞通訊;3)許多革蘭氏陰性菌還可以使用擴(kuò)散信號(hào)因子系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)多種生物學(xué)功能,例如毒力和生物膜形成等[7];4)不同種的細(xì)菌之間也能進(jìn)行交流,交流所用的語(yǔ)言是AI-2,這種信號(hào)分子存在于大多數(shù)細(xì)菌中,是許多細(xì)菌進(jìn)行種內(nèi)和種間交流的通用語(yǔ)言[8.9]。AI-2在細(xì)菌體內(nèi)由LuxS催化合成,LuxS基因廣泛存在于G+和G-細(xì)菌中,且具有很高的保守性[10]。代謝學(xué)研究發(fā)現(xiàn),LuxS是細(xì)菌硫代謝中甲基循環(huán)中一個(gè)代謝酶,在代謝過(guò)程中AI-2作為副產(chǎn)物被合成,所以LuxS肩負(fù)著代謝和信號(hào)傳遞的雙重功能[11,12]。
AI-2/LuxS QS系統(tǒng)介導(dǎo)乳酸菌發(fā)揮益生特性已有一定研究。Moslehi-Jenabian等[13]發(fā)現(xiàn)luxS基因可能參與某些Lactobacillus的酸適應(yīng)過(guò)程,使細(xì)菌可以通過(guò)胃腸道而存活下來(lái),并且在腸道微生態(tài)系統(tǒng)中可能在細(xì)菌與細(xì)菌之間的交流中具有一定作用。Buck等[11]得出AI-2/LuxS QS系統(tǒng)在Lb.acidophilus粘附腸表皮,定植腸道過(guò)程中具有重要作用;Lebeer等[14]研究推測(cè)AI-2/LuxS QS系統(tǒng)可能與Lactobacillus在動(dòng)物消化道中的適應(yīng)性密切相關(guān)。AI-2/LuxS QS系統(tǒng)與LAB抑菌的相關(guān)性研究很少。據(jù)報(bào)道,一些G+細(xì)菌能夠通過(guò)QS系統(tǒng)激活Lb. plantarum特異信號(hào)途徑,增加細(xì)菌素(一種具有抑菌作用的多肽)產(chǎn)量[15,16]。Man等[17,18]不僅發(fā)現(xiàn)4種LAB(稱為誘導(dǎo)LAB)與Lb. plan-tarum, KLDSl.0391共培養(yǎng)能使Lb.plantarumKLDSl.0391的細(xì)胞數(shù)增多,同樣能顯著提高Lb.plantarum KLDSl.0391產(chǎn)生細(xì)菌素的能力;以此為基礎(chǔ),通過(guò)進(jìn)一步基因敲除和表達(dá)研究,他們建立了AI-2/LuxS QS系統(tǒng)介導(dǎo)Lb. plantarum KLDS-1.0391細(xì)菌素產(chǎn)生的模型:誘導(dǎo)LAB作為環(huán)境刺激被Lb. plantarum, KLDSl.0391識(shí)別,導(dǎo)致Lb.plantarum KLDSl.0391細(xì)胞數(shù)顯著增加,造成LuxS合成的信號(hào)分子AI-2的大量積累,當(dāng)該濃度達(dá)到一定閾值時(shí),它能夠開啟下游調(diào)節(jié)元件的轉(zhuǎn)錄,調(diào)控細(xì)菌素編碼基因合成細(xì)菌素。
在前期的研究中,我們從云南石林路南鮮羊奶中,分離鑒定了一株益生效果較好的乳桿菌。16S rRNA基因測(cè)序鑒定其為L(zhǎng)b. plantarum,命名為AY01,并且利用焦磷酸測(cè)序策略測(cè)定了其全基因組序列[19]。本研究以Lb. plantarum AY01為實(shí)驗(yàn)材料,首先制作它的生長(zhǎng)曲線,然后選取跟細(xì)菌QS密切相關(guān)的指數(shù)早期(4.5h)、指數(shù)中期(12h)、指數(shù)晚期(18h)和穩(wěn)定中期(27h)4個(gè)點(diǎn)為研究對(duì)象,應(yīng)用半定量PCR方法和牛津杯抑菌法分別測(cè)定其在這4個(gè)點(diǎn)的luxS基因表達(dá)水平和對(duì)常見食源性病原菌EHEC 0157:H7、L monocytogenes、S.aureus的抑制情況,探討Lb.plantarum AY01luxS基因表達(dá)與抑菌的相關(guān)性,為AI-2/LuxS QS系統(tǒng)介導(dǎo)乳桿菌的抑菌關(guān)系提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1菌株與培養(yǎng)基
Lb.pLantarum AY01由本實(shí)驗(yàn)室從云南石林路南鮮羊奶中分離獲得。常見食源性病原菌E-HEC 0157:H7、L monocytogenes、S.aureus為本實(shí)驗(yàn)室保存菌株。Lb.plantarum培養(yǎng)用MRS培養(yǎng)基(Oxoid,英國(guó)),E.coli用營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(杭州天河微生物試劑有限公司,中國(guó)),L.monocytoge-nes、S.aureus用腦心浸液肉湯培養(yǎng)基(青島高科園海博生物技術(shù)有限公司,中國(guó))培養(yǎng)。
1.2生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酸試驗(yàn)
首先從-80℃冰箱中取出Lb.plantarumAY01種子液,然后按4‰(V/V)接種于MRS液體培養(yǎng)基中,30℃活化24h后,同樣按4‰(V/V)接種到新鮮的MRS液體培養(yǎng)基中,30℃靜止培養(yǎng)。隔1.5h取樣(0~36h),利用分光光度計(jì)測(cè)定600nm波長(zhǎng)處的吸光值(OD6oo),同時(shí)利用pH計(jì)測(cè)定各樣品的pH值。以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo),OD6oo和pH為縱坐標(biāo),制作Lb.plantarum AY01生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酸趨勢(shì)圖。
1.3生長(zhǎng)階段luxS基因表達(dá)分析
1.3.1cDNA第一條鏈的合成
依據(jù)Lb.plantarum AY01生長(zhǎng)曲線,用RNAprep pure培養(yǎng)細(xì)胞/細(xì)菌總RNA提取試劑盒(TIANGEN,中國(guó))提取其指數(shù)早期(a點(diǎn),培養(yǎng)4.5h)、指數(shù)中期(b點(diǎn),培養(yǎng)12h)、指數(shù)晚期(c點(diǎn),培養(yǎng)18h)和穩(wěn)定中期(d點(diǎn),培養(yǎng)27h)4點(diǎn)的菌體總RNA,利用瓊脂糖凝膠電泳和吸光值測(cè)定法分別分析總RNA的完整性、純度和濃度。最后,以總RNA為模板,利用mRNA selective PCR kit (TAKARA,日本)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng),生成第一條鏈cDNA。
1.3.2引物設(shè)計(jì)
選取看家基因16S rRNA基因作為相對(duì)半定量的內(nèi)參照基因。根據(jù)Lb.plantarum AY01全基因組序列[19],利用引物設(shè)計(jì)軟件Primer Premier5.0(PREMIER Biosoft International,美國(guó)),設(shè)計(jì)擴(kuò)增16S rRNA和luxS基因的引物(表1)。引物由上海生工生物有限公司合成。
1.3.3相對(duì)半定量測(cè)定luxS基因表達(dá)
以逆轉(zhuǎn)錄得到的單鏈cDNA為模板,按照mlRNA selective PCR kit (TAKARA,日本)說(shuō)明書進(jìn)行相對(duì)半定量分析。首先調(diào)節(jié)內(nèi)參16S rRNA基因PCR時(shí)的cDNA加樣量,通過(guò)較少循環(huán)數(shù)PCR擴(kuò)增(85℃ 1 min;54.8℃ 1 min;72℃1min,25個(gè)循環(huán)),使PCR產(chǎn)物濃度在a、b、c、d 4點(diǎn)相同(利用GeneTools from SynGene軟件(Syngene,英國(guó))測(cè)定瓊脂糖凝膠中PCR產(chǎn)物的濃度),記錄a、b、c、d 4點(diǎn)相應(yīng)的模板cDNA加樣量。然后,按照上一步相同的cDNA加樣數(shù)加量,同樣利用較少循環(huán)數(shù)PCR擴(kuò)增(90℃l min;52.5 ℃ 1 min;72℃lmin,25個(gè)循環(huán))a、b、c、d 4點(diǎn)的luxS基因,最后通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳與GeneTools fromSynGene軟件測(cè)定和分析luxS基因在a、b、c、d 4點(diǎn)相對(duì)表達(dá)量。
1.4抑菌試驗(yàn)
Lb.plantarum AY01種子液經(jīng)活化培養(yǎng)后,按40‰ (V/V)接種到新鮮的MRS液體培養(yǎng)基中,30℃靜止培養(yǎng)至a、b、c、d 4點(diǎn),9000r/min離心2min,收集上清液和菌體。菌體用1mL無(wú)菌水懸浮后用細(xì)胞破碎儀破碎(程序?yàn)椤霸?5℃下,按60%總功率,超聲開3.5s,關(guān)9s”處理5min)。上清液和菌體破碎液通過(guò)牛津杯法進(jìn)行抑菌實(shí)驗(yàn):首先,將滅菌好的2%水瓊脂倒入直徑為90mm的平板中,凝固后,將4個(gè)無(wú)菌牛津杯垂直放置在同一個(gè)平板上;然后,將含有約l.Oxl06cfu/mL食源性病原菌的培養(yǎng)基小心倒人上述平板中,凝固后,用滅菌鑷子夾出牛津杯;最后,分別取250μL上清液和菌體破碎液加入到牛津杯孔中,30℃過(guò)夜培養(yǎng)后(約15h),用尺子按垂直測(cè)量的方法測(cè)定抑菌圈直徑,取兩次垂直測(cè)量值的平均數(shù)。每個(gè)樣品做3個(gè)平行平板,3個(gè)平板的平均值作為最終的抑菌值[20]。
2結(jié)果
2.1生長(zhǎng)曲線和pH相關(guān)曲線
以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo),以O(shè)D600和pH值為縱坐標(biāo),制作Lb.plantarum AY01的生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酸曲線,結(jié)果顯示AY01具有典型微生物生長(zhǎng)曲線特征(圖1)。在O~3h,AY01的OD600≈0,說(shuō)明AY01在該時(shí)間段處于延滯期;隨后AY01進(jìn)入指數(shù)期,3~4.5h處于指數(shù)早期,4.5~12h處于指數(shù)中期,12~18h處于指數(shù)晚期;大約從18h開始,AY01生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期,持續(xù)時(shí)間約為22h(18~36h);最后OD600有下降的趨勢(shì),說(shuō)明AY01開始進(jìn)入衰亡期(圖1)。Lb.plantarum AY01培養(yǎng)液的pH值具有和生長(zhǎng)曲線完全相反的特征(圖1)。在0~3h,pH穩(wěn)定維持在6.5;在3~18h時(shí)間段,pH值處于迅速下降狀態(tài),由6.29下降到3.86;18h后,AY01培養(yǎng)液pH處于一個(gè)穩(wěn)定的低pH值狀態(tài),pH≈3.8。
2.2生長(zhǎng)階段luxS基因表達(dá)分析
2.2.1RNA提取與分析
2%瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果顯示,a、b、c、d 4點(diǎn)沒有降解,且都具有清晰的兩條帶,根據(jù)Marker可判斷該兩條帶分別為23S、16S rRNA(圖2A)。此外,利用分光光度計(jì)測(cè)定a、b、c、d 4點(diǎn)的A260/A280比值分別為1.876、1.959、1.871、1.856,說(shuō)明有微量DNA污染。因?yàn)閙RNA selective PCR kit能去除少量DNA的干擾,所以對(duì)該RNA不需DNA酶處理,直接進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。
2.2.2 16S rRNA基因內(nèi)參設(shè)定
運(yùn)用半定量PCR方法擴(kuò)增內(nèi)參16S rRNA基因,確定a、b、c、d 4點(diǎn)內(nèi)參16S rRNA PCR擴(kuò)增量相同時(shí)模板cDNA的加樣量。通過(guò)結(jié)果分析得知,當(dāng)a、b、c、d 4點(diǎn)分別加1.26、1.52、1.05、0.94 μL模板后,其PCR擴(kuò)增條帶亮度基本一致(圖2B)。
2.2.3luxS基因表達(dá)分析
根據(jù)內(nèi)參設(shè)定結(jié)果,在luxS基因PCR擴(kuò)增過(guò)程中,a、b、c、d 4點(diǎn)分別加入1.26、1.52、1.05、0.94 μL的模板cDNA,經(jīng)25個(gè)循環(huán)后,發(fā)現(xiàn)Lb.plantarum, AY01 luxS基因的表達(dá)水平隨生長(zhǎng)時(shí)間的增加呈遞增趨勢(shì),即指數(shù)早期沒有表達(dá),指數(shù)中期出現(xiàn)表達(dá),相對(duì)表達(dá)量約為10,指數(shù)晚期表達(dá)量明顯增加,相對(duì)表達(dá)量約為39.5,穩(wěn)定期表達(dá)達(dá)到最大值,相對(duì)表達(dá)量約為48.5 (圖2C、D)。
通過(guò)DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示luxS基因a、b、c、d 4點(diǎn)表達(dá)量相互之間存在顯著性差異(n=3,P<0.0)(圖中*的多少表示它們之間具有顯著性差異)。
2.3抑菌結(jié)果
Lb.plantarum AY01上清液對(duì)EHEC 0157:H7、L.monocytogenes、S.aureus均有抑菌效果,且具有隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加呈增大變化的特征(表2)。另外,AY01菌體在a、b、c、d 4點(diǎn)對(duì)3種病原菌(EHEC 0157:H7、L.monocytogenes、S.aureus)都沒有抑菌效果(結(jié)果未顯示1,說(shuō)明AY01的抑菌物質(zhì)可能主要是分泌型代謝產(chǎn)物或酶。
注:a:AYOl指數(shù)早期(培養(yǎng)4.5 h),b:AYOl指數(shù)中期(培養(yǎng)12h);c:AY01指數(shù)晚期(培養(yǎng)18h);d:AYOl穩(wěn)定中期(培養(yǎng)27h)。
Notes:a:AYOl early exponential phase (cultured 4.5h);b:AY01 middle exponential phase (cultured 12h);c:AYOl lateexponential phase (cultured 18h);d:AYOl middle stationaryphase (cultured 27h).
3討論
早在2010年,我們實(shí)驗(yàn)室從云南石林路南鮮羊奶中分離得到了一種益生效果較好的乳酸菌,16S rRNA基因序列分析證明其是植物乳桿菌,我們將該菌株命名為L(zhǎng)b. plantarum AY01。目前,AY01的全基因組序列已經(jīng)測(cè)序完成[19]。本文研究發(fā)現(xiàn),Lb.plantarum AY01 luxS基因表達(dá)在指數(shù)中期出現(xiàn),隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行,表達(dá)水平一直增加,至穩(wěn)定中期達(dá)到最大值。Moslehi-Jenabian等[13】在研究AI-2/LuxS QS系統(tǒng)與Lactobacillus酸適應(yīng)關(guān)系中發(fā)現(xiàn)了相似結(jié)果,即隨著Lactobacillus生長(zhǎng)的進(jìn)行,細(xì)胞數(shù)逐漸增多,造成的結(jié)果為luxS基因的表達(dá)水平和其合成產(chǎn)物-QS信號(hào)分子AI-2活性的逐漸增加,并于穩(wěn)定期達(dá)到最大值?;贚b.plantarum AY01的生長(zhǎng)曲線和luxS基因表達(dá)相一致的趨勢(shì)(當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)到一定數(shù)量時(shí)luxS基因才出現(xiàn)表達(dá),并且隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行,溶液中細(xì)胞濃度的增加,luxS基因表達(dá)也相應(yīng)增加)以及l(fā)uxS基因編碼產(chǎn)物能合成QS信號(hào)分子AI-2的背景知識(shí)[11],說(shuō)明luxS基因與Lb.plantarum AY01QS密切相關(guān)。在AYOI的生長(zhǎng)過(guò)程中,luxS基因表達(dá)水平的增加是因?yàn)锳Y01細(xì)胞數(shù)量的增加引起的,還是隨著合成的AI-2分子數(shù)目越來(lái)越多,最終啟動(dòng)QS系統(tǒng),而該QS系統(tǒng)又能促進(jìn)luxS基因的表達(dá)這樣一種模型,還需要更深一步的研究,這也是我們下一步研究的方向。
牛津杯抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,Lb.plantarumAY01上清液的抑菌效果隨著生長(zhǎng)進(jìn)行也呈現(xiàn)增強(qiáng)變化。這與Lee[2l]的一本書中講到的類似,即乳酸菌與E.coli、L.monocytogenes、S.aureus等病原菌共培養(yǎng)時(shí),隨著生長(zhǎng)進(jìn)行乳酸菌的數(shù)量明顯增加,而病原菌的數(shù)量明顯減少并最終消失。在本實(shí)驗(yàn)中,隨著Lb.plantarum AY01生長(zhǎng)的進(jìn)行,細(xì)胞的濃度越來(lái)越高,luxS基因的表達(dá)量也隨之增加;在該過(guò)程中,AY01上清液對(duì)3種常見食源性病原菌的抑菌效果(EHEC 0157:H7、L.monocyto-genes、S.aureus)也越來(lái)越明顯,說(shuō)明AYOl luxS基因表達(dá)可能與其抑菌相偶聯(lián);此外,由產(chǎn)酸曲線得知,隨著AY01生長(zhǎng)的進(jìn)行,pH值呈現(xiàn)顯著下降,于18h后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的低pH值狀態(tài),說(shuō)明在該過(guò)程中,AY01的產(chǎn)酸量越來(lái)越多。由我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及Moslehi-Jenabian[3].Diep[l5,16]和Man等[17,18]的前期研究,我們可以做如下推測(cè):Lb.pLantarum AY01 luxS基因不但與QS密切相關(guān),而且可能與發(fā)揮抑菌效果也有很大的關(guān)系,并且這些抑菌物質(zhì)很可能是某些酸類或者細(xì)菌素等。Lb. plantarum AY01可能通過(guò)AI-2/LuxS QS系統(tǒng)調(diào)節(jié)著酸或者細(xì)菌素等物質(zhì)的合成和分泌,最終介導(dǎo)著其對(duì)常見食源性病原菌的抑制。
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