CN104059904A - 筛选抗分解代谢产物阻遏效应的产纤维素酶高效突变子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了筛选抗分解代谢产物阻遏效应的产纤维素酶高效突变子的方法,(1)筛选培养基、验证培养基及摇瓶培养基的制备;(2)通过菌种诱变并对突变子进行初步筛选;(3)通过摇瓶发酵实验对突变子进行确认及多次验证。本发明方法有效筛选出抗分解代谢产物阻遏的木霉、青霉及曲霉高效产酶突变子,使真菌发酵产纤维素酶的过程中对葡萄糖等易利用碳源的限制解除,发酵可以通过添加葡萄糖作为能源加快发酵过程并提高发酵酶活,可有效的提高木霉、青霉及曲霉等纤维素酶生产菌株发酵产酶效率并降低成本。
Description
技术领域
本发明属于菌种改良领域,具体地说是涉及一种通过菌种诱变获得抗分解代谢产物阻遏效应的突变子从而提高木霉、曲霉、青霉等真菌发酵产生纤维素酶活的方法。
技术背景
木霉属(Trichodermaspp.)、曲霉属(Aspergillusspp.)、青霉属(Penicillium spp.)等真菌由于具有较强的纤维素酶活力而被广泛的研究及应用,其中木霉属中的里氏木霉(Trichderma reesei)、曲霉中的黑曲霉(Aspergillus niger)及青霉属中的斜卧青霉(Penicillium decumbens)等菌株所分泌的纤维素酶具有产量高、种类相对齐全等特点,是工业生产纤维素酶的主要菌株。它们所能合成的纤维素酶包括外切-β-1,4-葡聚糖酶 (exo-β-1,4- glucanase)、内切-β-1,4- 葡聚糖酶 (endo-β-1,4-glucanase)和β- 葡萄糖苷酶(β-1,4- glucosedase)等三大类中的数十种,常见的有2种外切酶(CBHⅠ、CBHⅡ)、5种内切酶(EGⅠ、EGⅡ、EG Ⅲ、EGⅣ和EG Ⅴ)及2 个葡萄糖苷酶 (BGⅠ、BGⅡ)。
纤维素酶是诱导酶,其表达能力不仅与基因调控序列有关,而且同外源诱导物有关。纤维素酶的诱导物质主要是一些糖类,包括聚糖、寡糖和单糖等。其中以纤维素、槐糖的诱导效果最好,乳糖和纤维二糖的诱导效果次之,山梨糖不仅具有诱导作用,并且可以促进胞外蛋白的分泌。不同诱导剂的物理性质不同,如纤维素是不可溶性物质,而其他糖类为可溶物质,这也造成了不同诱导剂进入胞内的方式不同,进入胞内所激发的的诱导方式也不尽相同,这也造成了诱导体系的复杂性。
纤维素酶表达是功能基因表达、诱导物正向激活和分解代谢产物阻遏机制共同作用结果。引起分解代谢产物阻遏机制的常见物质有甘油和葡萄糖等容易利用碳源;在产酶真菌的发酵过程中,葡萄糖等物质的存在会严重抑制纤维素酶的合成,该过程中起主要作用的是CREⅠ(里氏木霉及斜卧木霉)或CRE A(黑曲霉)阻遏蛋白,高浓度的葡萄糖可显著增加cre1 mRNA或creAmRNA的表达水平。CRE A对黑曲霉中的木聚糖酶基因及多种纤维素酶基因有较强的阻遏效应;而CREⅠ对里氏木霉中的9种纤维素酶基因及斜卧青霉中的6种主要纤维素酶基因均有阻遏效应;cre1(creA)基因缺陷性的菌种即使在含有葡萄糖的培养基中也能够产生纤维素酶,工业中应用极为广泛的里氏木霉Rut C-30就是cre1基因突变缺陷性菌株。
里氏木霉、黑曲霉及斜卧青霉等菌株的发酵碳源往往是难以利用的纤维素类物质,葡萄糖含量很低甚至没有,这虽然避免了分解代谢产物阻遏效应所造成的发酵酶活偏低的问题,但是由于纤维素类物质较难进入菌体生理代谢,从而导致发酵过程菌体生长缓慢,不仅延长了发酵时间,并且对总酶活的提升有严重影响。若能使菌株获得抗分解代谢产物阻遏效应,则可以在发酵产酶中通过在初始培养基中加入适量的葡萄糖等快速利用碳源从而使菌体大量快速生长,提高菌体总量并提前进入产酶状态;此外还可以通过发酵中途补加葡萄糖以期延长菌种的次生代谢阶段及产酶时间,从而获得活力更高的纤维素酶。
葡萄糖虽然对里氏木霉、黑曲霉、斜卧青霉等真菌的产酶过程具有阻遏效应,但是它可以被当碳源或能源物质被迅速消耗,从而削弱甚至解除分解代谢产物阻遏效应; 2-去氧基葡萄糖是葡萄糖的衍生物,该物质为非代谢型天然六碳糖,并不能作为碳源或能源物质被进入微生物生理代谢途径;与葡萄糖相同,2-去氧基葡萄糖同样对里氏木霉等产酶真菌同样具备分解代谢产物阻遏效应,能有效抑制里氏木霉等真菌产纤维素酶。由于以上特性,2-去氧基葡萄糖能对里氏木霉等真菌的产酶过程起到持续阻遏效应,利用这一性质可以在对里氏木霉等真菌进行菌种诱变后将2-去氧基葡萄糖作为底物加入到培养基中,从而为获得具有抗分解代谢产物阻遏效应的改良菌株提供了可能。
发明内容
本发明的目的是:提供一种筛选抗分解代谢产物阻遏效应的产纤维素酶高效突变子的方法,通过对木霉、曲霉及青霉属中的纤维素酶生产菌株进行菌种诱变,制备含有2-去氧基葡萄糖作为分解代谢产物阻遏物质,并以预处理水稻秸秆为单一碳源的筛选培养基和验证培养基,从而对诱变菌株进行筛选,进一步获得具有抗分解代谢产物阻遏效应的纤维素酶高效产酶突变菌株。
本发明的技术解决方案是:该筛选抗分解代谢产物阻遏效应的纤维素酶高效产酶突变子的方法包括如下具体步骤:
(1)培养基的制备
筛选培养基成分如下(100mL体系):预处理水稻秸秆粉末1%; KH2PO4 0.2%;(NH4)2SO4 0.3%;刚果红0.1%;琼脂粉2%;2-去氧基葡萄糖50ppm(w/v);
摇瓶培养基成分如下(100mL体系):预处理水稻秸秆2%;KH2PO4 0.2%;(NH4)2SO4 0.3%;
验证培养基成分如下(100mL体系):预处理水稻秸秆2%;KH2PO4 0.2%;(NH4)2SO4 0.3%;2-去氧基葡萄糖0.05 %(w/v);
水稻秸秆预处理方法:将自然风干的水稻秸秆置于1.2-2Mpa的高压蒸气中处理5-10min,再将其用自来水冲洗2-4次,随后置于60℃烘箱中过夜;
2-去氧基葡萄糖灭菌方法:以蒸馏水为溶剂制备质量浓度0.1%的2-去氧基葡萄糖母液,于115℃下灭菌30min,随后将灭过菌的母液加入灭过菌的筛选培养基中使其最终浓度达到50ppm(w/v),将灭过菌的母液加入到灭过菌的验证培养基中使其最终浓度达到0.05%(w/v);
(2)抗分解代谢产物阻遏突变子的初步筛选:将提前制备好的真菌孢子悬液置于30℃恒温摇床内培养30min,以提高休眠孢子成活率,之后进行菌种诱变(物理诱变、化学诱变),使孢子致死率达70%-90%,随后均匀涂布于筛选培养基表面,置于30℃恒温箱中避光培养;将原始菌株的孢子涂布筛选平板作为对照;避光培养70-80h后,观察并记录筛选培养基中的菌落形态,挑选直径大于对照组原始菌株单菌落30%,且菌落直径与产孢区直径比值大于2的单菌落,将其作为待确认突变子;
(3)突变子的确认及验证:将步骤2中筛选出的突变子转接至3ml PDB试管中(2个重复);30℃恒温摇床内培养24h,随后将其分别接种于验证培养基和摇瓶培养基中,160 rpm转速下 30℃恒温培养;将其原始菌株作为对照做以上相同处理;于发酵开始后120h-180h取发酵液样品1ml,离心取上清液;通过国标法测定上清液的纤维素酶的滤纸片酶活(FPU);若在摇瓶培养基中突变子的FPU酶活大于原始菌株FPU的120%;并且该突变子在验证培养基的FPU酶活大于其在摇瓶培养基的90%,则初步断定该突变子为正突变子;之后重复(3)中上述步骤三次,若结果一致,则确定该突变子为抗分解代谢产物阻遏高效产酶突变子。
本发明特征效果如下:通过本发明方法可以有效筛选出抗分解代谢产物阻遏的木霉、青霉及曲霉高效产酶突变子,并使真菌发酵产纤维素酶的过程中对葡萄糖等易利用碳源的限制解除,发酵可以通过添加葡萄糖作为能源加快发酵过程并提高发酵酶活,可有效的提高木霉、青霉及曲霉等纤维素酶生产菌株发酵产酶效率并降低成本。
具体实施方式
下面结合具体的实施例进一步详细地描述本发明。本领域技术人员应当理解,这些实施例只是为了举例说明本发明,而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1:选取里氏木霉Rut C-30作为原始菌株,30℃下对孢子悬浮液温浴培养30min后,使用20w功率的紫外灯于50cm高度照射2min,使孢子致死率达88.7%;将经紫外诱变的孢子悬液涂布于初筛平板培养72h进行菌落观察,发现编号为RUV1-1的菌株菌落直径为1.5cm,为原始菌种(1.1cm)的1.36倍,菌落直径(1.5cm)与产孢区直径(0.6)的比值为2.5倍;经过三次摇瓶发酵实验RUV1-1于120h的FPU酶活分别为1.28U、1.21U及1.10U,分别为相同条件下RutC-30 FPU酶活(三次相对应的酶活为0.91U、0.87U、0.82U)的1.41倍、1.39倍及1.34倍;经过三次验证培养基发酵实验RUV1-1于124h的FPU酶活分别为1.16U、1.17U、1.21U,分别为RUV1-1在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为1.28U、1.21U及1.10U)的90.6%、96.7%及110%;Rut C-30在验证培养基中的三次酶活分别为0.64U、0.52U及0.57U,分别为其在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为0.91U、0.87U、0.82U)的70.3%、59.8%及69.5%。表明RUV1-1是具备抗分解代谢产物阻遏效应的高效产酶突变子。
实施例2:选取里氏木霉QM9414作为原始菌种,30℃下对其孢子悬浮液温浴培养30min后,加入等体积的500μg/ml NTG 使孢子悬浮液终浓达107,NTG浓度达 250 μg /ml,30℃水浴处理25min,使孢子致死率达71.5%;将经NTG化学诱变的孢子悬液涂布于初筛平板,培养80h时进行菌落观察,编号为QNTG-12的菌落直径为1.6cm,为原始菌株(0.9cm)的1.78倍,菌落直径(1.7cm)与产孢区直径(0.8cm)的比值为2.13倍;经过三次摇瓶发酵实验QNTG-12于180h的FPU酶活分别为1.43U、1.34U及1.28U,分别为QM9414 FPU酶活(三次相对应的酶活为0.72U、0.68U、0.77U)的1.99倍、1.97倍及1.66倍;经过三次验证培养基发酵实验QNTG-12于144h的FPU酶活分别为1.36U、1.28U、1.24U,分别为QNTG-12在摇瓶发酵酶活(1.43U、1.34U及1.28U)的95.1%、95.5%及96.9%;QM9414在验证培养基中的三次酶活分别为0.44U、0.32U及0.37U分别为其在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为0.72U、0.68U、0.77U)的61.1%、47.1%及48.1%。表明QNTG-12是具备较强抗分解代谢产物阻遏效应的高效产酶突变子。
实施例3:选取由里氏木霉QM9414经过NTG化学诱变获得的高效产酶突变子QNT-45为原始菌种,30℃下对其孢子悬浮液温浴培养30min后,使用20w功率的紫外灯于50cm高度照射2min 30s,使孢子致死率达82.1%;将经紫外诱变的孢子悬液涂布于初筛平板培养75h进行菌落观察,发现编号为QNT-UV-8的菌株菌落直径为1.4cm,为原始菌种(1.0cm)的1.40倍,菌落直径(1.4cm)与产孢区直径(0.5)的比值为2.8倍;经过三次摇瓶发酵实验QNT-UV-8于160h的FPU酶活分别为1.66U、1.64U及1.48U,分别为QNT-45 FPU酶活(三次相对应的酶活为1.17U、1.22U及1.08U)的1.42倍、1.34倍及1.37倍;经过三次验证培养基发酵实验QNT-UV-8于144h的FPU酶活分别为1.56U、1.74U、1.36U,分别为QNT-UV-8在摇瓶发酵酶活(1.66U、1.64U及1.48U)的94.0%、106.1%及91.0%;QNT-45在验证培养基中的三次酶活分别为0.52U、0.44U及0.39U分别为其在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为1.17U、1.22U及1.08U)的44.4%、42.6%及36.1%。表明QNT-UV-8是具备较强抗分解代谢产物阻遏效应的高效产酶突变子。
实施例4:选取黑曲霉作为原始菌株,30℃下对孢子悬浮液温浴培养30min后,使用20w功率的紫外灯于50cm高度照射5min,使孢子致死率达70.5%;将经紫外诱变的孢子悬液涂布于初筛平板培养80h进行菌落观察,发现编号为AN-UV-13的菌株菌落直径为1.8cm,为原始菌种(1.3cm)的1.38倍;经过三次摇瓶发酵实验AN-UV-13于120h的FPU酶活分别为0.98 U、0.92U及0.87U,分别为相同条件下原始菌株 FPU酶活(三次相对应的酶活为0.61U、0.73U、0.66U)的1.61倍、1.26倍及1.32倍;经过三次验证培养基发酵实验AN-UV-13于120h的FPU酶活分别为0.99U、0.87U、0.83U,分别为AN-UV-13在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为0.98 U、0.92U及0.87U)的101.0%,94.6%及95.4%;原始菌株在验证培养基中的三次酶活分别为0.34U、0.32U及0.37U,分别为其在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为0.61U、0.73U、0.66U)的55.7%,43.8%及56.1%。表明AN-UV-13是具备较强抗分解代谢产物阻遏效应的高效产酶突变子。
实施例5:选取斜卧青霉作为原始菌株,30℃下对孢子悬浮液温浴培养30min后,加入等体积的500μg/ml NTG 使孢子悬浮液终浓达107,NTG浓度达 250 μg /ml,30℃水浴处理40min,使孢子致死率达88.9%;将经NTG化学诱变的孢子悬液涂布于初筛平板培养70h进行菌落观察,发现编号为PD-NTG-37的菌株菌落直径为1.4cm,为原始菌种(1.0cm)的1.40倍,;经过三次摇瓶发酵实验PD-NTG-37于120h的FPU酶活分别为0.76 U、0.70U及0.66U,分别为相同条件下原始菌株 FPU酶活(三次相对应的酶活为0.45U、0.53U、0.46U)的1.69倍、1.32倍及1.43倍;经过三次验证培养基发酵实验PD-NTG-37于120h的FPU酶活分别为0.73U、0.71U、0.63U,分别为PD-NTG-37在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为0.76 U、0.70U及0.66U)的96.1%,101.4%及95.5%;原始菌株在验证培养基中的三次酶活分别为0.27U、0.22U及0.21U,分别为其在摇瓶发酵酶活(三次相对应的酶活为0.45U、0.53U、0.46U)的60.0%,41.5%及45.7%。表明PD-NTG-37是具备较强抗分解代谢产物阻遏效应的高效产酶突变子。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.筛选抗分解代谢产物阻遏效应的产纤维素酶高效突变子的方法,其特征是该方法包括以下步骤:
(1)培养基的制备
筛选培养基成分如下(100mL体系):预处理水稻秸秆粉末1%; KH2PO4 0.2%;(NH4)2SO4 0.3%;刚果红0.1%;琼脂粉2%;2-去氧基葡萄糖50ppm(w/v);
摇瓶培养基成分如下(100mL体系):预处理水稻秸秆2%;KH2PO4 0.2%;(NH4)2SO4 0.3%;
验证培养基成分如下(100mL体系):预处理水稻秸秆2%;KH2PO4 0.2%;(NH4)2SO4 0.3%;2-去氧基葡萄糖0.05 %(w/v);
水稻秸秆预处理方法:将自然风干的水稻秸秆置于1.2-2Mpa的高压蒸气中处理5-10min,再将其用自来水冲洗2-4次,随后置于60℃烘箱中过夜;
2-去氧基葡萄糖灭菌方法:以蒸馏水为溶剂制备质量浓度0.1%的2-去氧基葡萄糖母液,于115℃下灭菌30min,随后将灭过菌的母液加入灭过菌的筛选培养基中使其最终浓度达到50ppm(w/v),将灭过菌的母液加入到灭过菌的验证培养基中使其最终浓度达到0.05%(w/v);
(2)抗分解代谢产物阻遏突变子的初步筛选:将提前制备好的真菌孢子悬液置于30℃恒温摇床内培养30min,以提高休眠孢子成活率,之后进行菌种诱变(物理诱变、化学诱变),使孢子致死率达70%-90%,随后均匀涂布于筛选培养基表面,置于30℃恒温箱中避光培养;将原始菌株的孢子涂布筛选平板作为对照;避光培养70-80h后,观察并记录筛选培养基中的菌落形态,挑选直径大于对照组原始菌株单菌落30%,且菌落直径与产孢区直径比值大于2的单菌落,将其作为待确认突变子;
(3)突变子的确认及验证:将步骤2中筛选出的突变子转接至3ml PDB试管中(2个重复);30℃恒温摇床内培养24h,随后将其分别接种于验证培养基和摇瓶培养基中,160 rpm转速下 30℃恒温培养;将其原始菌株作为对照做以上相同处理;于发酵开始后120h-180h取发酵液样品1ml,离心取上清液;通过国标法测定上清液的纤维素酶的滤纸片酶活(FPU);若在摇瓶培养基中突变子的FPU酶活大于原始菌株FPU的120%;并且该突变子在验证培养基的FPU酶活大于其在摇瓶培养基的90%,则初步断定该突变子为正突变子;之后重复(3)中上述步骤三次,若结果一致,则确定该突变子为抗分解代谢产物阻遏高效产酶突变子。
2. 根据权利要求1所述的筛选抗分解代谢产物阻遏效应的产纤维素酶高效突变子的方法,其特征是:步骤(2)中所使用的菌为木霉、黑曲霉或斜卧青霉。
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Application publication date: 20140924 |
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