葛達(dá)娥,魏照輝,圖爾蓀阿依·圖爾貢,3,潘 玥,王 帆,陶寧萍,周劍忠,劉小莉,
(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,江蘇 南京 210014;3.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054)
藍(lán)莓屬杜鵑花科、越橘屬植物,其果實含多種抗氧化物、抗菌成分和豐富的食用纖維等,具有極高的營養(yǎng)和保健功效[1],經(jīng)濟價值極高。但藍(lán)莓果皮柔嫩,在貯藏或者運輸中,不可避免會造成果實相互之間的碰撞而導(dǎo)致機械損傷發(fā)生腐爛,因此對藍(lán)莓的保鮮研究很有意義。
鏈格孢霉(Alternaria sp.)是一類普遍存在于新鮮果蔬表面并能導(dǎo)致果蔬在貯藏過程中發(fā)生腐敗的絲狀真菌。在前期實驗中,本實驗室從自然霉變的藍(lán)莓樣品中分離鑒定到一株鏈格孢霉,該菌株回接到新鮮藍(lán)莓樣品上,引發(fā)藍(lán)莓初期腐敗癥狀為果實表面出現(xiàn)黑色或褐色、塌陷的斑點,后期在腐爛區(qū)域表面產(chǎn)生大量的褐色菌絲[2-4]。研究表明鏈格孢霉次級代謝產(chǎn)物真菌毒素還會危害人體健康,造成極為嚴(yán)重的食品安全問題[5-6]。由于鏈格孢霉菌具有寄生和腐生性的特點,在-2~0 ℃下也能夠生存,通常使用的低溫貯藏、氣調(diào)保鮮等物理手段不能徹底杜絕采前及采后藍(lán)莓表面鏈格孢霉菌對果實的侵害。因此殺菌劑成為藍(lán)莓采后病害防治的主要有效手段,如采用二氧化硫[7]和二氧化氯[8]對藍(lán)莓進行熏蒸處理,可以有效殺死藍(lán)莓中的致病菌,降低藍(lán)莓的腐爛率,延長藍(lán)莓貨架期,但會造成化學(xué)殘留,危害人體健康;因此安全無毒的植物源抑菌劑的開發(fā)應(yīng)用成為當(dāng)今研究的熱點。
丁香酚是丁香精油的主要成分,有一定的抗菌生物活性,并能誘導(dǎo)果蔬內(nèi)防御酶和抗氧化酶活性提高,在多種果蔬的防腐保鮮方面具有較好的應(yīng)用前景,如楊梅[9]、蘋果[10]、葡萄[11-12]、西紅柿[13-14]、荔枝[15]、櫻桃番茄[16]。本研究以實驗室分離鑒定的一株鏈格孢霉為靶標(biāo)菌,探究丁香酚對藍(lán)莓鏈格孢霉的抑制效果,進一步明確丁香酚對病原真菌的有效抑菌質(zhì)量濃度及其抑菌機理,為后續(xù)將丁香酚應(yīng)用于藍(lán)莓的保鮮提供依據(jù)。
供試菌株:鏈格孢霉(Alternaria sp.),從腐敗藍(lán)莓中分離得到,鑒定后保藏于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所食品生物工程研究室。
丁香酚精油、丁香酚(純度85%) 江西金源天然香料公司;微量丙二醛(malondialdehyde,MDA)試劑盒、幾丁質(zhì)酶測定試劑盒、β-1,3-葡聚糖酶活性檢測試劑盒、蛋白定量測定試劑盒 南京建成生物試劑公司;碘化丙啶(propidium iodide,PI)熒光染料 生工生物(上海)股份有限公司。
HT7700透射電子顯微鏡 日本Hitachi公司;MERLIN掃描電子顯微鏡 德國ZEISS公司;TH4-200熒光倒置顯微鏡 日本Olympus公司;Epoch酶標(biāo)儀美國BioTek公司;DDS-307A電導(dǎo)率儀 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。
1.3.1 鏈格孢霉孢子懸浮液、菌絲的制備
采用Lachhab等[17]的方法,將鏈格孢霉接種到PDA培養(yǎng)基上28 ℃培養(yǎng)10 d,以無菌生理鹽水洗下孢子,并用6 層紗布過濾除去菌絲。采用血球計數(shù)板對孢子進行計數(shù),調(diào)整孢子懸浮液的孢子濃度為1×107個/mL,現(xiàn)用現(xiàn)制。
吸取孢子懸浮液1 mL加入到100 mL PDB液體培養(yǎng)基中,靜置培養(yǎng)24 h,獲得鏈格孢霉新鮮菌絲,備用。
1.3.2 丁香酚對鏈格孢霉菌絲生長抑制率的測定
采用生長速率法[18]測定丁香酚對鏈格孢霉菌絲生長的影響。分別吸取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL和3.0 mL的10 mg/mL丁香酚母液(溶劑為無水乙醇,下同)加入到100 mL PDA培養(yǎng)基中,使丁香酚終質(zhì)量濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/mL,混勻后倒入無菌培養(yǎng)皿,備用。用直徑6 mm的無菌打孔器從培養(yǎng)5 d的鏈格孢霉菌落邊緣位置切取菌餅,將菌絲面貼在含丁香酚培養(yǎng)皿和對照培養(yǎng)皿中,對照培養(yǎng)皿不含丁香酚,預(yù)實驗證明體積分?jǐn)?shù)3%乙醇對菌絲生長無抑制作用。將培養(yǎng)皿置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)7 d,采用十字交叉法測定菌落直徑,按下式計算丁香酚精油對菌絲徑向生長的抑制率。
式中:6 mm為菌落初始直徑。
1.3.3 丁香酚對鏈格孢霉孢子萌發(fā)抑制能力的測定
分別吸取一定量的丁香酚母液于1 mL的無菌PDB培養(yǎng)基中,將丁香酚配制成質(zhì)量濃度分別為0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40 mg/mL的溶液,對照組為不含丁香酚的體積分?jǐn)?shù)3%乙醇。取190 μL不同質(zhì)量濃度的丁香酚和10 μL的孢子液(107個/mL)于96 孔板,置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d。用酶標(biāo)儀檢測OD600nm值,以其衡量丁香酚精油對鏈格孢霉孢子萌發(fā)的抑制作用。
1.3.4 鏈格孢霉形態(tài)的觀察
1.3.4.1 鏈格孢霉菌絲和孢子形態(tài)的觀察
取1 mL孢子懸浮液和1 g濕菌絲,用0.3 mg/mL丁香酚溶液(處理組)或無菌水(對照組)處理12 h后用無菌水清洗菌絲和孢子3 次,除去丁香酚。用0.01 mol/L pH 7.0的磷酸鹽緩沖液反復(fù)沖洗菌絲和孢子3 次,置于體積分?jǐn)?shù)2.5% MDA溶液中4 ℃下過夜固定。將固定好的菌絲和孢子用磷酸鹽緩沖液漂洗3 次,每次靜置10 min,除去MDA;將樣品依次置于系列體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、80%、90%和100%的乙醇溶液中脫水置換,每次15 min。脫水后臨界點干燥,將干燥的菌體固定到金屬臺上,用離子濺射儀對金屬臺噴金、鍍膜,進行掃描電子顯微鏡觀察。
1.3.4.2 鏈格孢霉菌絲和孢子的超微結(jié)構(gòu)觀察
將1.3.4.1節(jié)中乙醇脫水后的樣品,繼續(xù)用丙酮脫水3 次,用Epon812固定劑進行包埋,超薄切片,經(jīng)醋酸鈾和檸檬酸鉛雙染色后,采用透射電子顯微鏡進行觀察和圖像采集[19]。
1.3.5 鏈格孢霉菌絲細(xì)胞膜通透性的測定
取濕質(zhì)量為1 g的菌絲,置于無菌離心管中,加入20 mL無菌水懸浮菌絲。加入0.6 mL丁香酚母液,使其終質(zhì)量濃度為0.3 mg/mL。置于28 ℃、100 r/min搖床中處理12 h,12 000×g、4 ℃離心10 min,收集上清液,沉淀所得的菌絲用無菌水清洗3 次,備用。對照組用無菌水替代丁香母液。
1.3.5.1 鏈格孢霉菌絲PI染色及觀察
將備用菌絲重浮于無菌水中得到菌絲懸浮液,在1 mL菌絲懸浮液中加入1 mL 2 μmol/L PI熒光探針,37 ℃避光孵育20 min后,用無菌水漂洗多余探針后置熒光顯微鏡下觀察并拍照。
1.3.5.2 鏈格孢霉菌絲可溶性蛋白質(zhì)量濃度、電導(dǎo)率的測定
分別吸取0.05 mL 1.3.5節(jié)中處理組和對照組的上清液,按照考馬斯亮藍(lán)法測定上清液中可溶性蛋白質(zhì)量濃度;并將電導(dǎo)率儀預(yù)熱15 min后,測定上清液的電導(dǎo)率。
1.3.6 鏈格孢霉菌絲相關(guān)酶活力的測定
將1.3.5節(jié)中的備用菌絲冷凍干燥后用液氮研磨至粉末狀,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.6.1 β-1,3-葡聚糖酶活力的測定
采用β-1,3-葡聚糖酶活力檢測試劑盒,通過測定還原糖生成速率計算處理前后鏈格孢霉絲的β-1,3-葡聚糖酶活力。稱取0.1 g菌絲粉末,按質(zhì)量體積比為1∶10加入β-1,3-葡聚糖酶提取液,進行冰浴勻漿。12 000 ×g、4 ℃離心10 min,取上清液,置冰上待測。按β-1,3-葡聚糖酶活力檢測試劑盒說明書對樣本進行測定,計算β-1,3-葡聚糖酶活力。每克組織每小時產(chǎn)生1 mg還原糖定義為一個酶活力單位。
1.3.6.2 幾丁質(zhì)酶活力的測定
稱取0.1 g菌絲粉末,按1∶10(m/V)的比例加入幾丁質(zhì)酶提取液,進行冰浴勻漿。12 000×g、4 ℃離心20 min,取上清液,置冰上待測。按幾丁質(zhì)酶測定試劑盒說明書對樣品進行測定,計算丁香酚處理后幾丁質(zhì)酶活力的變化。37 ℃條件下,每克組織每小時分解幾丁質(zhì)產(chǎn)1 mg N-乙酰氨基葡萄糖的酶量為1 個酶活力單位。
實驗數(shù)據(jù)采用DPS軟件整理并采用Tukey多重比較方法進行方差分析(P<0.05),用Origin Pro 8.5軟件繪制圖形。
圖1 不同質(zhì)量濃度丁香酚對鏈格孢霉菌絲生長的抑制效果Fig. 1 Inhibitory effect of eugenol at different concentrations on the growth of Alternaria sp.
由圖1可以看出,丁香酚對鏈格孢霉菌絲徑向生長抑制作用效果隨丁香酚質(zhì)量濃度升高而增強,即呈現(xiàn)一定的劑量效應(yīng)。當(dāng)丁香酚質(zhì)量濃度為0.05 mg/mL時,丁香酚對鏈格孢霉絲生長就表現(xiàn)出抑制作用,其抑制率為(18.38±0.89)%;丁香酚質(zhì)量濃度由0.05 mg/mL增至0.15 mg/mL時,其對鏈格孢霉菌絲生長的抑制率提高了2.89 倍;丁香酚質(zhì)量濃度增加至0.25 mg/mL時,菌絲生長抑制率高達(dá)(95.89±0.32)%。當(dāng)丁香酚質(zhì)量濃度為0.30 mg/mL,鏈格孢霉菌絲完全停止生長。
如圖2所示,隨著丁香酚質(zhì)量濃度的提高,OD600nm值逐漸降低,表明丁香酚對鏈格孢霉孢子萌發(fā)抑制作用增強。對照組的OD600nm值為2.89±0.38,當(dāng)丁香酚質(zhì)量濃度上升為0.04 mg/mL時,其OD600nm值為2.69±0.23,與對照組無顯著性差異(P>0.05),即研究條件下質(zhì)量濃度低于0.04 mg/mL的丁香酚對孢子的萌發(fā)無顯著作用;當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到0.12 mg/mL時,OD600nm值為1.59±012,較丁香酚質(zhì)量濃度為0.04 mg/mL時顯著減小(P<0.05),說明0.12 mg/mL丁香酚對孢子的萌發(fā)抑制作用增強;丁香酚質(zhì)量濃度提高到0.24 mg/mL時,OD600nm值為0.13±0.01,相比于質(zhì)量濃度為0.12 mg/mL時顯著減?。≒<0.05),鏈格孢霉的孢子萌發(fā)受到強烈抑制。當(dāng)丁香酚質(zhì)量濃度在0.28~0.40 mg/mL時,OD600nm值無顯著性差異(P>0.05),即丁香酚對鏈格孢霉孢子萌發(fā)的最小抑制質(zhì)量濃度為0.24 mg/mL。
圖3 丁香酚對鏈格孢霉菌絲細(xì)胞死亡的影響Fig. 3 Effect of eugenol on cell death of hyphae of Alternaria sp.
圖4 丁香酚對鏈格孢霉菌絲細(xì)胞內(nèi)容物泄漏的影響Fig. 4 Effect of eugenol on the leakage of intracellular contents from mycelia of Alternaria sp.
PI是一種常用的細(xì)胞核熒光染色劑,與細(xì)胞核中的DNA結(jié)合后,可在綠色光(540 nm波長)的激發(fā)下,在600 nm波長(紅色光)處發(fā)出明亮的熒光[20]。PI不能透過完整細(xì)胞膜,當(dāng)真菌菌絲細(xì)胞膜受到損傷后方可進入菌絲內(nèi)部與核酸結(jié)合發(fā)出熒光。由圖3可知,對照組菌絲在綠色光激發(fā)下無紅色熒光出現(xiàn),而經(jīng)0.3 mg/mL的丁香酚處理后的菌絲出現(xiàn)了紅色熒光,說明鏈格孢霉的菌絲細(xì)胞膜受到損傷。
細(xì)胞膜受到損傷將表現(xiàn)為膜透性增加和電解質(zhì)外滲速率加快,通過測定菌絲胞外可溶性蛋白質(zhì)量濃度和電導(dǎo)率可以了解真菌細(xì)胞膜通透性的變化。由圖4可知,處理組的可溶性蛋白質(zhì)量濃度和電導(dǎo)率較對照組均有所提高,且差異顯著(P<0.05),處理組的可溶性蛋白質(zhì)量濃度和電導(dǎo)率分別是對照組的1.18 倍和8.02 倍。由此推測丁香酚破壞了鏈格孢霉菌絲的細(xì)胞膜,使得膜通透性增加,內(nèi)容物泄漏,進而導(dǎo)致菌絲死亡。
圖5 鏈格孢霉孢子(A)和菌絲(B)掃描電子顯微鏡圖Fig. 5 SEM images of Alternaria sp. spores (A) and hyphae (B)
如圖5所示,0.3 mg/mL的丁香酚對鏈格孢霉菌絲生長及孢子萌發(fā)有明顯抑制作用,與對照組相比,0.3 mg/mL丁香酚處理后的鏈格孢霉孢子和菌絲表面形態(tài)不再完整、光滑,出現(xiàn)了較深的凹陷;孢子無芽管抽出,菌絲周邊呈現(xiàn)明顯的內(nèi)容物泄漏。因此,0.3 mg/mL的丁香酚可以導(dǎo)致鏈格孢霉發(fā)生裂解,胞內(nèi)部分物質(zhì)流出,使孢子失去萌發(fā)的能力,菌絲停止生長。
圖6 鏈格孢霉孢子(A)和菌絲(B)透射電子顯微鏡圖Fig. 6 TEM images of Alternaria sp. spores (A) and hyphae (B)
掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示丁香酚對鏈格孢霉形態(tài)完整性有一定的破壞作用,進一步于透射電子顯微鏡下觀察丁香酚對鏈格孢霉孢子及菌絲的內(nèi)部變化影響。如圖6所示,未經(jīng)丁香酚處理的鏈格孢霉的孢子和菌絲具有完整的細(xì)胞壁以及完整光滑的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密,胞質(zhì)比較均勻;而經(jīng)丁香酚處理作用后,孢子細(xì)胞壁出現(xiàn)了溶解,孢子和菌絲的細(xì)胞質(zhì)發(fā)生固縮,引起細(xì)胞的質(zhì)壁分離,已看不到完整的細(xì)胞器??梢?,丁香酚對鏈格孢霉的細(xì)胞壁有明顯的破壞作用,對細(xì)胞器形成也有一定影響,這可能是丁香酚抑制孢子萌發(fā)及菌絲生長的重要原因。
真菌細(xì)胞壁的主要成分為多糖,其中多糖主要包括幾丁質(zhì)、纖維素、葡聚糖等。因幾丁質(zhì)酶可以催化幾丁質(zhì)水解,β-1,3-葡聚糖酶能催化β-1,3-葡聚糖苷鍵水解;因此,當(dāng)細(xì)胞中的幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活力升高時,細(xì)胞壁的重要組成成分減少,使細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)遭到破壞。
圖7 丁香酚處理對鏈格孢霉菌絲幾丁質(zhì)酶和β-1, 3-葡聚糖酶活力的影響Fig. 7 Effect of eugenol treatment on chitinase and β-1,3-glucanase activity of Alternaria sp.
由圖7可知,與對照組相比,丁香酚處理鏈格孢霉絲體12 h后,幾丁質(zhì)酶活力由(0.24±0.03)U/g上升到(0.81±0.04)U/g,β-1,3-葡聚糖酶活力由(0.60±0.05)U/g上升到了(0.90±0.04)U/g。經(jīng)丁香酚處理后,鏈格孢霉菌絲幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶的活力顯著升高,分別升高了2.37 倍和50%。幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶的活力顯著升高,導(dǎo)致這兩種酶控制的細(xì)胞壁上幾丁質(zhì)和葡聚糖含量降低,這一結(jié)果與透射電子顯微鏡下觀察到的細(xì)胞壁完整性被破壞一致。
丁香酚易從可食用的香料中進行提取,毒性較低,不易殘留,對食品中常見的腐敗菌和產(chǎn)毒素菌的生長有明顯抑制作用[21-23]。本實驗研究發(fā)現(xiàn),不同質(zhì)量濃度的丁香酚對鏈格孢霉的菌絲生長和孢子萌發(fā)都有抑制作用,且呈現(xiàn)一定的劑量效應(yīng),與已有研究的結(jié)論[24]相符。當(dāng)丁香酚質(zhì)量濃度為0.3 mg/mL時,能夠完全抑制鏈格孢霉菌絲生長和孢子的萌發(fā),余興等[25]以500 μL/L的薰衣草精油、薄荷精油和葡萄籽精油直接作用鏈格孢霉,其抑制率分別為90.18%、87.09%和2.0%;許倩等[26]研究發(fā)現(xiàn)大蒜精油對鏈格孢霉的最小抑菌劑量為1.25 μL/L,說明丁香酚在抑制鏈格孢霉生長上更有優(yōu)勢。生物細(xì)胞膜是一種具有選擇性的半透膜,有些抗菌物質(zhì)能夠破壞細(xì)胞膜的通透性,從而干擾細(xì)胞正常的物質(zhì)運輸[27]。目前的研究普遍認(rèn)為植物源化合物作用于微生物時,主要是通過破壞細(xì)胞膜、增大膜的選擇通透性、降低微生物膜的穩(wěn)定性來達(dá)到抑菌效果[28-30]。房舒等[31]在研究蛇床子素結(jié)構(gòu)修飾物JS-B對辣椒疫霉作用機制時發(fā)現(xiàn),JS-B處理的菌絲經(jīng)PI染色后未見熒光現(xiàn)象,而陽性對照組Cu2+處理相同時間則出現(xiàn)紅色熒光;與本研究的PI染色結(jié)果一致,推測丁香酚主要通過引起鏈格孢霉細(xì)胞膜通透性增大,造成細(xì)胞死亡從而達(dá)到抑菌效果。Stein[32]研究認(rèn)為細(xì)胞壁對細(xì)胞起著定型和保護的作用,細(xì)胞壁受到損傷會使細(xì)胞壁上的纖維原變形。李姝毅等[33]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)丁香酚作用后,阿薩希毛孢子菌菌體出現(xiàn)腫脹膨大、干癟變形,部分菌絲胞壁破壞,隨著丁香酚藥液質(zhì)量濃度的增加,整個菌絲完全被破壞,胞質(zhì)外溢。在掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的觀察下,經(jīng)0.3 mg/mL丁香酚處理后的鏈格孢霉孢子和菌絲出現(xiàn)凹陷、細(xì)胞壁裂解等現(xiàn)象;因此,推測丁香酚破壞了鏈格孢霉的細(xì)胞壁,以致孢子失去萌發(fā)能力,菌絲停止生長。幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶能夠催化水解真菌細(xì)胞壁重要組成成分幾丁質(zhì)和葡聚糖。胡平[34]研究發(fā)現(xiàn)草果精油處理葡萄灰霉病菌,能在一定程度上引起灰霉病菌產(chǎn)生葡萄糖饑餓現(xiàn)象,刺激幾丁質(zhì)酶活性的升高,不斷降解真菌細(xì)胞壁,破壞真菌細(xì)胞壁的完整性,引起細(xì)胞內(nèi)滲透壓不穩(wěn)定,導(dǎo)致真菌細(xì)胞溶解死亡。本實驗中經(jīng)0.3 mg/mL丁香酚處理后的鏈格孢霉幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活力顯著提高,說明丁香酚可以作用于鏈格孢霉的細(xì)胞壁及細(xì)胞膜,破壞菌體的完整性,使得胞內(nèi)物質(zhì)向外泄漏,同時使丁香酚更易擴散進入胞內(nèi),破壞細(xì)胞器,而起到殺菌作用。
雖然有關(guān)丁香酚殺菌機理的研究報道較多[35-36],但針對鏈格孢霉的機理研究卻很少。魏月琴等[37]研究發(fā)現(xiàn),鹿蹄草素可以增加鏈格孢病菌細(xì)胞膜透性,影響病原真菌體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成,進而抑制鏈格孢霉的生長抑制作用。張素等[38]對黑曲霉超臨界萃取物抑制鏈格孢作用機制進行研究,發(fā)現(xiàn)其抑菌機制是通過影響細(xì)胞膜的正常功能、損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)和抑制真菌的呼吸代謝等方面實現(xiàn)的。本實驗從丁香酚處理后鏈格孢霉形態(tài)和生理生化變化研究了丁香酚對鏈格孢霉的抑制機理,后續(xù)可以對受抑制鏈格孢霉菌體蛋白含量、呼吸代謝方面作進一步研究,以更深入了解丁香酚對鏈格孢霉的作用機制,為丁香酚直接用于藍(lán)莓保鮮提供理論依據(jù)。
綜上,丁香酚對鏈格孢霉菌絲的生長和孢子萌發(fā)有一定的抑制效果,且抑制效果隨丁香酚質(zhì)量濃度的提高而增強。0.3 mg/mL的丁香酚可以增大鏈格孢霉菌絲細(xì)胞膜的通透性,引起鏈格孢霉菌絲幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活力的升高,導(dǎo)致細(xì)胞壁出現(xiàn)裂解,細(xì)胞器出現(xiàn)損傷,胞內(nèi)物質(zhì)流出,從而抑制鏈格孢霉的生長。