??∧校铎`智,樊成奇,韓清華,黃洪亮,馬麗艷,陸亞男,李月月,田曉清,3
(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,上海 200090;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200090;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東海漁業(yè)資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200090;4.上海海洋大學(xué),上海 201306)
南極大磷蝦(Euphausiasuperba)因其區(qū)域特色、資源保有量?jī)?yōu)勢(shì)以及廣泛應(yīng)用價(jià)值為世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家所青睞,國(guó)際上已形成磷蝦捕撈技術(shù)支撐、高附加值產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)為一體的產(chǎn)業(yè)鏈[1-3]。我國(guó)更將南極大磷蝦商業(yè)化開(kāi)發(fā)納入國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略,積極培育這一海洋生物精深利用新興產(chǎn)業(yè)。南極大磷蝦自身富含多種活性物質(zhì),包括DHA/EPA等不飽和脂肪酸、磷脂、多種活性低溫酶等[4-8]。而腸道作為磷蝦等動(dòng)物體內(nèi)重要的消化吸收器官,其中棲息著數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腸道微生物組(intestinalmicrobiota),與宿主的營(yíng)養(yǎng)代謝、遺傳、發(fā)育及進(jìn)化、免疫防御等重要生命過(guò)程休戚相關(guān)[9-11]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)南極大磷蝦腸道菌群包含大量未知微生物新種屬,隨后通過(guò)菌株代謝產(chǎn)物及其生物活性篩選,從南極大磷蝦可培養(yǎng)菌株代謝產(chǎn)物中鑒定化合物48個(gè),具有抗海洋病毒、抗海洋病原菌及抗污損等多種生態(tài)學(xué)活性[12-16]。因此,我國(guó)亟需繼續(xù)大力加強(qiáng)南極大磷蝦基礎(chǔ)生物學(xué)研究,積極拓展其資源綜合利用新途徑。本研究小組成員在參與第29次極地科學(xué)考察時(shí),分離出南極大磷蝦共附生微生物133株,其中7%為未知種[17],并且全部為細(xì)菌。丁壯等[18]總結(jié)了極地真菌的代謝產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)其代謝產(chǎn)物多樣性較好,且具有抗菌、增強(qiáng)抗癌藥物活性、核苷轉(zhuǎn)移抑制劑等活性。
因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)第34次“雪龍?zhí)枴蹦蠘O考察采集到的南極大磷蝦共附生菌進(jìn)行真菌菌株分離鑒定,并對(duì)其次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行初步研究,以期為極地真菌以及南極大磷蝦綜合利用提供參考。
南極大磷蝦由2017年第34次“雪龍?zhí)枴蹦蠘O考察船采用框架拖網(wǎng)采獲。
培養(yǎng)基:孟加拉紅固體培養(yǎng)基[19];PDA固體培養(yǎng)基;YPD固體培養(yǎng)基;YPD液體培養(yǎng)基。用于分離真菌菌株時(shí)每種培養(yǎng)基添加抗生素:青霉素、鏈霉素、氯霉素各30μg·mL-1。
色譜材料:柱層析硅膠(200 300目)及預(yù)制GF254 TLC硅膠板:青島海洋化學(xué)公司;MCI gel(CHP 20P,75 150μm);C18反相硅膠(150 200目):Merck公司;凝膠Sephadex LH 20:Pharmacia Biotech,Sweden。
試劑:乙腈、甲醇(色譜級(jí),Merck公司);其他試劑,如乙酸乙酯、甲醇、丙酮、正丁醇、石油醚、三氯甲烷等(AR,上海國(guó)藥集團(tuán));標(biāo)準(zhǔn)品尿嘧啶(5 g·瓶-1)(上海國(guó)藥集團(tuán))。
微生物恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)有限公司,DHP9162A);大型恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱(上海天星實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司,TS 211C);超聲波清洗器(上海漢克科學(xué)儀器有限公司,SK250LH);光學(xué)顯微鏡(上海光學(xué)儀器一廠,XSP 44X.9);半制備HPLC儀器(Shimadazu,SPD M20A PDA);半制備HPLC儀器(Waters,2545);液質(zhì)聯(lián)用儀(HR ESI MS,Agilent,1290 HPLC 6224 TOF MS,分辨率≥20 000);旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠,RE3000A);反相半制備色譜柱:YMC Pack ODS AQ column(250×10 mm,S 5μm,12 nm,分離流速2.5 mL·min-1);正相半制備色譜柱:YMC Pack SIL 06 column(250×10 mm,S 5μm,6 nm,分離流速4.0 mL·min-1);核磁共振波譜儀(Bruker AM 400 spectrometer)。
將南極大磷蝦樣品在超凈工作臺(tái)內(nèi)用無(wú)菌海水沖洗表面,用研缽研碎,將處理好的樣品加入裝有10 mL無(wú)菌海水的50 mL無(wú)菌管中,樣品震蕩混勻后梯度稀釋10-1、10-2、10-3,不同梯度分別取300μL菌液涂布于孟加拉紅、PDA和YPD 3種固體培養(yǎng)基上,每個(gè)梯度樣品做3個(gè)平行。涂布好的平板倒置于15℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng);培養(yǎng)約3~4周后長(zhǎng)出菌落,依據(jù)菌落特征進(jìn)行分離,挑取菌落接種至相應(yīng)培養(yǎng)基上劃線分離純化培養(yǎng),直至得到純菌落。分離得一株真菌NJF7,菌株保存于YPD或孟加拉紅斜面固體培養(yǎng)基,置于4℃冰箱進(jìn)行保種;另用30%的甘油保種于-80℃的冰箱進(jìn)行長(zhǎng)期保存。然后轉(zhuǎn)移到液體培養(yǎng)基送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行一代測(cè)序。
同時(shí)將滅菌的載玻片45°傾斜插入涂布真菌菌種的固體培養(yǎng)皿中,28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3~5 d,用光學(xué)顯微鏡觀察菌絲形態(tài)特征,如菌落形狀、大小、色澤、質(zhì)地、有沒(méi)有產(chǎn)生孢子等特點(diǎn),并作記錄。再參考張新軍[20]和孫晶晶等[21]的研究對(duì)真菌進(jìn)行初步的分類(lèi)、鑒定。
1.4.1 發(fā)酵液的獲取
NJF7菌株接種在2只50 mL試管中(內(nèi)有5 mL的YPD液體培養(yǎng)基),搖床恒溫27℃培養(yǎng)活化5~7 d。將活化的NJF7菌株接種至2只1 000 mL三角瓶(內(nèi)含500 mL YPD液體培養(yǎng)基)中,置于20℃160 r·min-1恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱中,發(fā)酵培養(yǎng)5 d后得到種子發(fā)酵液。將發(fā)酵的種子液按一定比例接到裝有YPD液體培養(yǎng)基的2 L三角瓶中,在20℃160 r·min-1恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱中發(fā)酵培養(yǎng),共得到培養(yǎng)發(fā)酵液約35.5 L。
1.4.2 次級(jí)代謝產(chǎn)物的提取分離
NJF7菌株發(fā)酵液35.5 L用布氏漏斗及定性中速(直徑18 cm)的濾紙真空抽濾分為菌絲體和胞外濾液兩部分。菌絲體置于-80℃冰箱中冷凍,48 h后取出放在室溫解凍,解凍后依次加入3 L的丙酮和甲醇,用超聲清洗器超聲提取,各提取2次,得到菌絲體部分浸膏。胞外濾液約35.5 L,每1.6 L菌液分別用200 mL的乙酸乙酯和正丁醇萃取各2次,旋轉(zhuǎn)濃縮得乙酸乙酯部分浸膏157.3 g,正丁醇部分浸膏19.0 g。乙酸乙酯部分與菌絲體提取濃縮的浸膏合并,質(zhì)量為163.2 g,用650 mL的純水溶解充分,再用325 mL的石油醚、乙酸乙酯、正丁醇3種試劑各萃取3次。萃取液真空低溫旋蒸,除去有機(jī)溶劑,得到石油醚部分浸膏10.5 g;乙酸乙酯部分浸膏0.32 g;正丁醇部分浸膏與第一次正丁醇部分合并共31.3 g。
乙酸乙酯部分經(jīng)Sephadex LH 20凝膠柱分離,通過(guò)TLC硅膠板點(diǎn)樣分析得到NJF7I~VII 7部分。NJF7I部分經(jīng)Waters正向柱制備,流動(dòng)相為乙酸乙酯 石油醚。NJF7III部分過(guò)硅膠分為IIIa和IIIb,然后再用HPLC制備,各部分HPLC梯度洗脫程序以及化合物見(jiàn)表1。
用MCI柱分離正丁醇部分:用1 000mL水洗脫MCI柱4個(gè)柱體積,后用400mL甲醇∶水(V∶V=10∶90)淋洗,除去鹽、糖、蛋白等雜質(zhì);依次用甲醇∶水(20∶80→50∶50→80∶20→100∶0)洗脫,每梯度洗脫液的用量為1 000 mL。洗脫下來(lái)的液體用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀依次濃縮得到20%甲醇、50%甲醇、80%甲醇和100%甲醇4個(gè)部分。50%和80%甲醇部分經(jīng)過(guò)硅膠分離后再通過(guò)HPLC制備,流動(dòng)相為乙腈 水(水含0.1%三氟乙酸),各部分梯度洗脫程序以及化合物見(jiàn)表2。
曲霉屬菌種NJF7在孟加拉紅培養(yǎng)基培養(yǎng),其培養(yǎng)特征(A)和在光學(xué)顯微鏡目鏡10倍、物鏡40倍條件下形態(tài)(B)見(jiàn)圖1。
真菌NJF7菌落特點(diǎn):菌落的顏色為黃綠色;質(zhì)地絲絨狀,形成放射狀溝紋;沒(méi)有滲出液;分生出來(lái)的孢子頭形成疏松放射狀;頂囊近球形;分生的孢子形狀為球形、近球形。根據(jù)姚栗等[22]的研究結(jié)果,對(duì)照實(shí)驗(yàn)菌種的培養(yǎng)特征和顯微形態(tài),其與黃曲霉菌顏色形態(tài)一致。
菌株序列與生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)GenBank(https://www.ncbi.nlm.nih.gov)進(jìn)行序列的相似性比較分析,尋找最高相似性在98%左右的菌株,選取比對(duì)結(jié)果中與其相似性較高的模式株,然后對(duì)菌株構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖2)。
基因序列同源性比對(duì)分析發(fā)現(xiàn),菌株NJF7與Aspergillus屬模式種A.sydowii(KX958084.1)相似性最高,為99%,與A.sydowii(JN851025.1)在同一枝節(jié)。根據(jù)真菌的形態(tài)學(xué)特點(diǎn),鑒定NJF7為曲霉Aspergillussydowii。
從菌株NJF7的代謝產(chǎn)物中分離出化合物,分別經(jīng)HR ESI MS、1H NMR波譜學(xué)方法,鑒定了其中13個(gè)化合物。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。
表1 乙酸乙酯各部分梯度洗脫程序表及化合物Tab.1 Gradient elution procedures and compounds of EA
表2 正丁醇部分梯度洗脫程序表及化合物Tab.2 Gradient elution procedures and compounds of n butyl alcohol
圖2 基于菌株NJF7及其相應(yīng)模式菌株的18S rDNA構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.2 Neighbour joining phylogenetic tree based on 18S rDNA gene sequence for the position of strain NJF7
化合物1:淺黃色粉末,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z261.117 7([M+H]+,計(jì)算值為261.116 1),提示其分子式為C14H16N2O3。1H NMR(pyr,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH1.53(m,2H),1.81(m,1H),2.13(m,1H),3.29(dd,J=14.7,6.3 Hz,1H),3.36(m,1H),3.58(m,3H),4.09(t,J=8.0,8.5 Hz,1H),4.52(t,J=5.2,5.5 Hz,1H),7.08(d,J=8.4 Hz,2H),7.39(d,J=8.1 Hz,2H),8.58(s,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[23]報(bào)道一致,因此化合物1結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(脯氨酸 酪氨酸)。
化合物2:淺黃色粉末,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z350.149 9([M+H]+,計(jì)算值為350.146 0),提示其分子式為C20H19N3O3。1H NMR(CD3OD,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH2.61(dd,J=13.4,6.3 Hz,1H),2.83(dd,J=14.5,5.7 Hz,1H),3.03(dd,J=14.7,4.1 Hz,1H),3.51(dd,J=11.4,6.6 Hz,1H),3.58(m,1H),3.65(m,3H),3.90(m,1H),4.18(m,1H),6.60(m,2H),7.04(s,1H),7.07(m,1H),7.13(m,1H),7.17(m,3H),7.35(d,J=7.9 Hz,1H),7.60(d,J=8.0 Hz,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[24]報(bào)道一致,因此化合物2結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(色氨酸 酪氨酸)。
圖3 從NJF7中分離得到的化合物結(jié)構(gòu)式Fig.3 Structure formulas of com pounds isolated from NJF7
化合物3:黃色油狀物,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z245.127 9([M+H]+,計(jì)算值為245.121 2),提示其分子式為C14H16N2O2。1H NMR(CD3OD,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH1.25(m,1H),1.82(m,2H),2.11(m,1H),3.18(m,2H),3.38(m,1H),3.55(m,1H),4.08(m,1H),4.46(m,1H),7.46(m,5H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[25]報(bào)道一致,因此化合物3結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(脯氨酸 苯丙氨酸)。
化合物4:黃色膠狀物,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z211.141 9([M+H]+,計(jì)算值為211.140 2),提示其分子式為C11H18N2O2。1H NMR(CD3OD,400 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH0.97(m,6H),1.56(m,1H),1.67(m,1H),1.77(m,1H),1.92(m,2H),2.02(m,1H),2.33(m,2H),3.48(m,1H),3.56(m,1H),3.83(dd,J=9.7,6.0 Hz,1H),4.26(m,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[26]報(bào)道一致,因此化合物4結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(纈氨酸 脯氨酸)。
化合物5:黃褐色無(wú)定型粉末,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z286.155 2([M+H]+,計(jì)算值為286.151 1),提示其分子式為C16H19N3O2。1H NMR(D2O,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH0.13(d,J=7.3 Hz,2H),0.69(d,J=7.3 Hz,2H),1.33(m,1H),3.34(dd,J=15.1,5.3 Hz,1H),3.43(s,2H),3.54(dd,J=15.0,5.4 Hz,1H),3.77(m,3H),4.56(td,J=4.6,1.7 Hz,1H),7.24(m,1H),7.29(m,2H),7.55(d,J=9.3 Hz,1H),7.74(d,J=6.7 Hz,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[27]報(bào)道一致,因此化合物5結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(纈氨酸 色氨酸)。
化合物6:淺黃色粉末,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z300.184 1([M+H]+,計(jì)算值為300.166 7),提示其分子式為C17H21N3O2。1H NMR(pyr,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH0.83(t,J=7.3,7.5 Hz,3H),1.10(d,J=6.8 Hz,3H),1.18(m,1H),1.56(m,1H),2.15(m,1H),3.72(dd,J=14.5,8.1 Hz,1H),3.95(dd,J=14.5,4.6 Hz,1H),4.19(s,1H),4.77(m,1H),7.28(d,J=1.1 Hz,1H),7.33(m,1H),7.53(s,1H),7.60(m,1H),8.11(d,J=8.1 Hz,1H),9.10(d,J=26.0 Hz,2H),11.98(s,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[27-28]報(bào)道一致,因此化合物6結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(異亮氨酸 色氨酸)。
化合物7:淺黃色粉末,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z315.169 3([M+H]+,計(jì)算值 為315.141 2),提 示 其 分 子 式 為C16H18N4O3。1H NMR(CD3OD,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH0.98(m,1H),1.50(m,1H),1.70(m,1H),1.99(m,1H),3.29(m,1H),3.48(m,1H),4.02(m,1H),4.43(m,1H),7.03(m,1H),7.11(m,2H),7.35(dt,J=8.2,0.8 Hz,1H),7.59(dt,J=8.0,0.9 Hz,1H)。該化合物數(shù)據(jù)比文獻(xiàn)[29]報(bào)道的環(huán)(天門(mén)冬酰胺 色氨酸)的數(shù)據(jù)多一個(gè)亞甲基信號(hào),因此化合物7結(jié)構(gòu)鑒定為環(huán)(谷氨酰胺 色氨酸)。
化合物8:白色粉末,1H NMR(D2O,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH3.43(s,2H),6.48(d,J=17.2 Hz,1H),7.02(m,2H),7.64(m,3H).該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[30]報(bào)道一致,因此化合物8結(jié)構(gòu)鑒定為對(duì)羥基肉桂酸甲酯。
化合物9:淺黃色針狀結(jié)晶,與標(biāo)準(zhǔn)品作對(duì)照鑒定化合物為尿嘧啶。
化合物10:黃色無(wú)定形粉末,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z138.089 9([M+H]+,計(jì)算值為138.087 4),提示其分子式為C8H11NO。1H NMR(CD3OD,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH2.53(t,J=7.7,7.6 Hz,1H),2.80(t,J=7.6,7.7 Hz,1H),6.69(m,1H),7.02(m,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[31]報(bào)道一致,因此化合物10結(jié)構(gòu)鑒定為對(duì)羥基苯乙胺。
化合物11:黃色油狀物,HR ESI MS譜得出準(zhǔn)分子離子峰m/z122.096 6,([M+H]+,計(jì)算值為122.096 4),提示其分子式為C8H11N。1H NMR(CDCl3,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH2.71(m,1H),2.98(t,J=7.7,8.0 Hz,1H),7.23(m,1H),7.31(m,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[32]報(bào)道一致,因此化合物11結(jié)構(gòu)鑒定為苯乙胺。
化合物12:白色粉末,1H NMR(CD3OD,400 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH2.56(t,J=7.7,7.5 Hz,1H),2.80(t,J=7.7,7.7 Hz,1H),3.62(s,1H),6.67(d,J=8.1 Hz,1H),7.00(d,J=8.6 Hz,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[33]報(bào)道一致,因此化合物12結(jié)構(gòu)鑒定為N 甲基酪胺。
化合物13:無(wú)色針狀晶體,1H NMR(pyr,600 MHz)數(shù)據(jù)如下:δH2.82(t,J=7.9,7.5 Hz,1H),3.08(t,J=7.7,7.7 Hz,1H),3.57(s,3H),7.10(d,J=9.4 Hz,1H),7.26(d,J=5.7 Hz,1H)。該化合物數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[34]報(bào)道一致,因此化合物13結(jié)構(gòu)鑒定為大麥芽堿。
曲霉NJF7是本課題組在南極大磷蝦腸道微生物中分離到的第一株真菌,從其發(fā)酵液提取物中鑒定了13個(gè)代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu),化合物結(jié)構(gòu)類(lèi)型包含二酮哌嗪(1~7)、芳香酸(8)、生物堿類(lèi)(9~13)。化合物7環(huán)(谷氨酰胺 色氨酸)(天然成分)首次從曲霉屬真菌中分離。環(huán)肽作為天然產(chǎn)物的一類(lèi),通常單獨(dú)存在或嵌入在更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中,在真菌、細(xì)菌、海洋海綿和植物中的次級(jí)代謝產(chǎn)物中都有獲得[35]。環(huán)肽類(lèi)化合物由于具有抗腫瘤、抗菌、抗真菌等生物活性而備受研究者關(guān)注[29]。例如化合物2對(duì)L 929、K 562和HeLa細(xì)胞系具有較弱的抗增殖和細(xì)胞毒作用[23]。目前已發(fā)現(xiàn)的上百個(gè)環(huán)肽類(lèi)化合物絕大部分來(lái)自于海洋生物,其中海洋微生物所產(chǎn)生的一些特殊環(huán)肽顯示出很好的抗腫瘤活性。本研究獲得的芳香酸和生物堿類(lèi)化合物也表現(xiàn)出良好的活性,例如化合物12可以刺激胃泌素的釋放,在低劑量(25μg·kg-1)時(shí)就可獲得最大的釋放活性[33]。后期對(duì)化合物7的活性將繼續(xù)探討。
但是,通過(guò)對(duì)NJF7次級(jí)代謝產(chǎn)物的研究,發(fā)現(xiàn)目前鑒定的次級(jí)代謝產(chǎn)物種類(lèi)少、結(jié)構(gòu)單一、新穎性不足,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物未能被獲得,因此未進(jìn)一步開(kāi)展化合物的活性篩選。這可能由于本實(shí)驗(yàn)只使用了YPD一種發(fā)酵培養(yǎng)基且培養(yǎng)條件比較簡(jiǎn)單的緣故。后期將從培養(yǎng)基種類(lèi)以及培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化,以期得到較為新穎、具有較好生物活性的化合物乃至具有新藥開(kāi)發(fā)前景的天然產(chǎn)物。RUI等[27]在海綿中結(jié)合宏基因組學(xué)的方法分離到11個(gè)環(huán)肽成分,在以后的研究中可以考慮首先通過(guò)宏基因組學(xué)對(duì)樣品中具有生物活性的小分子進(jìn)行預(yù)估,以節(jié)省分離時(shí)間,提高分離效率。