有益微生物乳酸菌之DNA序列分析

1、有益微生物乳酸菌之DNA序列分析一、摘要本研究從市售鮮奶中分離出八株似乳酸菌菌株，經(jīng)凝乳試驗、革蘭氏染色法、型態(tài)觀察及catalase試驗等測試，初步判定其為類乳酸菌菌株。經(jīng)再進(jìn)一步利用乳酸菌快速鑑定套組（API 50CHL）進(jìn)行菌種鑑定，分別得到與Pedio.pentosaceus、Lacto.brevis及等菌種有高相似度的菌種。為進(jìn)一步確認(rèn)所分離乳酸菌之種源性，本實驗再進(jìn)行16s rRNA序列分析。經(jīng)從DNA資料庫分析，選定數(shù)株乳酸菌之16s rRNA gene保守性序列當(dāng)primers，再進(jìn)行本研究菌株之PCR增幅作用，所得PCR增幅產(chǎn)物再進(jìn)行DNA序列分析。本研究所分離之類乳酸菌菌株

2、的16s rRNA gene序列分析經(jīng)與GeneBank(GCG)裡之乳酸菌16s rRNA gene序列進(jìn)行比對，得到一株與之16s rRNA gene序列相似度極高之菌株，其分析結(jié)果與API 50CHL之分析結(jié)果一致。 二、前言乳酸菌為一群能夠發(fā)酵醣類而生成乳酸的細(xì)菌，在分類學(xué)上，大部分歸類於乳酸桿菌科(Lactobacillaceae)，常成短鏈狀，為革蘭氏陽性菌，無運動性，無莢膜，不產(chǎn)生芽孢，但在體外(in vitro)培養(yǎng)時，普遍可見其多形性。厭氧和510的二氧化碳常促進(jìn)菌株於固體培養(yǎng)基上的表面生長。最適溫度一般為3040，耐酸性強(qiáng)，一般在pH5或更低的情況下仍可生長，極少有致病性。

3、其存在環(huán)境通常含有豐富的可溶性碳水化合物、蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物及維生素，且環(huán)境中溶氧低，因此在牛乳或乳製品、發(fā)酵食品、秣草、完整或腐敗的蔬菜以及人或動物的腸道或黏膜等環(huán)境中可以很普遍地發(fā)現(xiàn)它們的存在。至1980年眾所周知的一般乳酸菌有Lactobacillus、Leuconostoc、Pediococcus、Streptococcus四個屬（Frazier and Westhoff,1978），廣義的乳酸菌尚包括Bifidobacterium與Sporolactobacillus兩個屬。隨著乳酸菌種類之增加，傳統(tǒng)的形狀學(xué)、生理學(xué)特性做為區(qū)別之標(biāo)準(zhǔn)，越來越不敷使用，而且新屬的產(chǎn)生幾乎是依分子分類學(xué)的差

4、異而定，球菌與短桿菌也可併再同一屬。在Carnobacterium、Atopobium與Weissella三屬之間，可以依各屬特性得到初步之區(qū)別性，但皆很難與Lactobacillus區(qū)別。另外二個桿菌屬Spocolactobacillus與Bifidobacterium都有其獨特之處，尚屬容易區(qū)別。目前研究之主要依據(jù)為DNA相似性和RNA序列之相似性，使傳統(tǒng)的形質(zhì)特性(形態(tài)學(xué)與生理學(xué)特性等)無法判別之菌，都可以明確獨立成一群，賦與分類上之位置。它們已被廣泛應(yīng)用於食品、飼料及臨床醫(yī)學(xué)上，進(jìn)以達(dá)到提供飲食中之營養(yǎng)及維持健康等目標(biāo)。為此我們希望從自然界中尋找出有益於人體健康以及能夠應(yīng)用於食品工業(yè)上

5、之乳酸菌，並藉由利用分子技術(shù)之方法配合著傳統(tǒng)的鑑定方法來鑑定乳酸菌。傳統(tǒng)上乳酸菌類緣關(guān)係鑑定以生理生化特性，其中包含了革蘭氏染色法、型態(tài)觀察、運動性、氣體需求、孢子形成、催化酶試驗及API 50CHL快速檢測套組等分析，試驗菌株經(jīng)屬之初步歸群後，再進(jìn)行醣類發(fā)酵試驗、Esculin水解試驗及Tiamine生長需求等試驗將以上實驗結(jié)果再對照著菌株分類手冊（Bergeys manual of systematic bacteriology）來判讀，便可得知初步所鑑定出的屬名及種名。另外也可以酵素電泳及DNA雜交法來進(jìn)行鑑定。隨著生物技術(shù)之進(jìn)步，乳酸菌的分類更為清晰，利用多種的分子技術(shù)方法，如Rand

6、omly amplified polymorphic DNA（RAPD analysis）（Du Khaled et al.,1997）、Ribotyping（Zhong et al.,1998）、Pulsed-field electrophoresis（PFGE）（Tenover et al.,1995）、PCR analysis with species-specific primers（Yu-Li Song et al.,2000）等方法來鑑定菌種為目前較快速及精準(zhǔn)之方法。近十年來，因16s rDNA數(shù)據(jù)之大量累al.,1991），尤其是在能迅速比對出最接近的種名之功能上，具有重大之意義

7、。在此研究中欲依據(jù)乳酸菌之16s rRNA gene設(shè)計具保守性之核苷酸引子，以PCR方式增幅合成特定之DNA產(chǎn)物片段，進(jìn)而分析DNA產(chǎn)物片段的序列，如果再與傳統(tǒng)方法比對所鑑定出之結(jié)果，則更能增加鑑定結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可信度。三、材料與方法1、類乳酸菌之分離方法1、 分離乳酸菌所用的培養(yǎng)基Lactobacilli MRS broth(Difco 0881)。從市售鮮奶中取樣，將之懸浮於MRS液體培養(yǎng)基增殖培養(yǎng)後，然後適當(dāng)稀釋菌液並畫線培養(yǎng)於MRS固體培基上。2.、類乳酸菌的初步鑑定 由MRS培養(yǎng)基所分離之類乳酸菌再培養(yǎng)於12%的脫脂乳做凝乳試驗。3、類乳酸菌之傳統(tǒng)生理生化鑑定 （1）革蘭氏染色法

8、、型態(tài)觀察：菌體以無菌牙籤塗抹固定於載玻片上，先以數(shù)滴crystal violet 染色一分鐘後，用水洗去染料，在加數(shù)滴iodine solution 固定crystal violet 一分鐘後，用95乙醇沖洗玻片，直到無色為止，再用數(shù)滴safranin染色45秒，用水洗去染料並用紙吸乾殘餘水分，靜置風(fēng)乾，用光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果。（2）Catalase試驗：菌株培養(yǎng)於MRS broth 取37培養(yǎng)18小時的菌液，塗抹於在玻片上，在滴上過氧化氫（H2O2），若有大量氣泡產(chǎn)生者為陽性反應(yīng)，無氣泡產(chǎn)生者為陰性反應(yīng)。4、類乳酸菌之API 50CHL菌種鑑定 採用API 50 CHL，API 50 CHL

9、收錄了Abitrophia Bifidobacterium、Enterococcus、Lactobacillus、Lactococcus、Leuconostoc、Pediococcus與Weissella八屬之資料，故併用各種鑑定方法，可以鑑定出絕大部分之菌屬與菌種。本實驗採用API50CHL 套組進(jìn)行菌種鑑定，操作步驟如下：取單一菌落，在MRS培養(yǎng)基上以37厭氧環(huán)境下培養(yǎng)24小時，將培養(yǎng)盒中加入約10ml的無菌水，使盒中保持濕度，將API 50CH strip放入盒中，將培養(yǎng)基上所有菌落挑入2ml無菌水中混合均勻為濃菌液s。再將s菌液滴入5ml無菌水中，調(diào)整濃度2McFarland，記下所滴

10、入的滴數(shù)為n。接著API50CHL medium中滴入2n滴的s菌液，混合均勻使其最終濃度成2McFarland。將此菌液加滿API 50 CHL strip各個試驗孔的tube部分，在各個試驗孔的cupule部分覆蓋無菌礦物油。在厭氧環(huán)境下37培養(yǎng)，於24及48小時進(jìn)行判讀。用APILAB software系統(tǒng)鑑定受試菌株之屬別。5、類乳酸菌之16s rRNA鑑定（1）選定乳酸菌群16s rRNA之保守性DNA序列作為primer只用傳統(tǒng)鑑定方法比較不易區(qū)別某些新屬，而且目前主要是以16s rDNA gene序列比對來界定其屬名，本實驗是利用乳酸菌群中的16s rDNA gene之高度保留區(qū)

11、設(shè)計出primers，以 Lactobacillus acidophilus之16s rRNA gene（accession number m58802）來設(shè)計出多對PCR Primers(表一)，經(jīng)PCR增幅作用後，以增幅出之PCR產(chǎn)物片段來分析出類乳酸菌的基因序列。（2）PCR增幅試驗將培養(yǎng)在MRS平版上所分離的類乳酸菌，取單一菌落放入無菌水中，加熱煮沸進(jìn)行DNA粗水解，取其上清液5l當(dāng)DNA模版，加入10mM dATP、dTTP、dCTP、 dGTP各1l，primer 1、primer 2 （35 pmole/ml）1.8l及10 PCR buffer 5l、1.25u的Taq DNA

12、 ploynerase，補(bǔ)充無菌水至總量為50l，進(jìn)行PCR反應(yīng)（Perkin Elmer 2400），反應(yīng)條件為94 30s、55 30s以及72 30s，經(jīng)過35 cycles後，以1.5agarose gel 進(jìn)行電泳分離，以ethidium bromide染色，置於UV觀察。（3）16s rRNA PCR產(chǎn)物片段的DNA序列分析以PCR方式將乳酸菌群中的16s rDNA gene增幅後，進(jìn)行基因定序（ABI PRISM 377 sequencer），將所之DNA序列與GeneBank之16s rDNA基因庫做比對。四、結(jié)果1. 類乳酸菌株篩選之初步確認(rèn)本實驗取市售鮮奶，將之懸浮於MRS

13、液體培養(yǎng)基增殖培養(yǎng)後，由MRS平板培養(yǎng)基所挑出之類乳酸菌菌落，再培養(yǎng)於12%的脫脂乳做凝乳試驗。凝乳反應(yīng)為”+”者(脫脂乳凝固)即可初步判定為類乳酸菌，本實驗所分離出之八株類乳酸菌皆具凝乳反應(yīng)。（表二）2. 革蘭氏染色法、型態(tài)觀察、catalase試驗 在本實驗中所篩選出之八株類乳酸菌，再進(jìn)一步的作革蘭氏染色法、型態(tài)觀察及catalase試驗（表三），所有菌株之革藍(lán)氏染色皆呈陽性，catalase試驗皆為陰性反應(yīng)，在型態(tài)上的觀察有球菌及短桿型態(tài)，根據(jù)以上之結(jié)果可更進(jìn)一步的確認(rèn)所篩選出的八株菌為類乳酸菌。3. 類乳酸菌之API 50CHL菌種鑑定經(jīng)過初步的測試、觀察後，本實驗所分離出的八株類乳酸

14、菌，用API 50CHL 套組進(jìn)行菌種鑑定，經(jīng)過厭氧環(huán)境下37培養(yǎng)24及48小時後，將所得到的結(jié)果，以API LAB software系統(tǒng)鑑定受試之類乳酸菌株之屬別，得到之結(jié)果如表四，所鑑定出的屬別有三種分別為Pedio.pentosaceus、Lacto.brevis及，在這八株類乳酸菌中，其中以L1之菌株，其ID(percentage of identification)鑑定百分比高達(dá)99.2%，其餘菌株之鑑定百分比也有90以上。4. PCR增幅作用後進(jìn)行序列分析利用Lactobacillus acidophilus之16s rRNA gene所設(shè)計出的primers，經(jīng)增幅作用所產(chǎn)生的產(chǎn)

15、物大小分別為L16S-1/ L16S-2 359bp、L16S-1/ L16S-3 766bp、L16S-1/ L16S-4 1129bp、L16S-1/ L16S-5 1533bp（圖一）將所得之PCR產(chǎn)物進(jìn)行類乳酸菌DNA之基因定序，將所得到的DNA序列（表五）與GeneBank之16s rDNA基因庫做比對，結(jié)果顯示所分離之類乳酸菌株L1與目前GeneBank中已知菌種間有99相似度（表六）。五、討論1、 本研究從鮮奶中分離出8株類乳酸菌菌株，經(jīng)過凝乳試驗、革蘭氏染色法、型態(tài)觀察及catalase試驗等，檢測結(jié)果顯示所採用之菌株皆為不具運動性、革蘭氏陽性、catalase為陰性之球菌或桿

16、菌，初步判定為類乳酸菌菌株。經(jīng)利用乳酸菌快速鑑定套組（API 50CHL）進(jìn)行菌種鑑定，分別得到與Pedio.pentosaceus、Lacto.brevis及等菌種有高相似度的菌種。2、 本研究選定乳酸菌16s rRNA之保守性DNA序列作為primers，進(jìn)行PCR增幅作用，所得之PCR產(chǎn)物與預(yù)期的產(chǎn)物大小結(jié)果一致。3、 本研究所分離之類乳酸菌菌株的16s rRNA gene序列分析經(jīng)與GeneBank(GCG)裡之乳酸菌16s rRNA gene序列進(jìn)行比對，得到一株與之16s rRNA gene序列相似度極高之菌株，其分析結(jié)果與API 50CHL之分析結(jié)果一致。4、本實驗將利用所分析出

17、之16s rRNA 序列結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行16-23s rRNA intergenicspacer位置及23s rRNA的序列分析，以確定本實驗所分離之類乳酸菌株之種源性，未來將進(jìn)一步進(jìn)行所分離之類乳酸菌株作為保健性菌株之評估與探討。表一、選定乳酸菌16s rRNA gene之保守性DNA序列作為primersPrimerSequence 53LengthdirectionL16S-1AGACTTTGATCCTGGCTCAG20forwardL16S-2ATGTCCCAATGTGGCCGAT19reverseL16S-3GCCACTGGTGTTCTTCCATA20reverseL16S-4CAT

18、CTCACGACACGAGCTG19reverseL16S-5TCATCTGTCCCACCTTAGAC20reverse表二、所分離類乳酸菌菌株之凝乳試驗結(jié)果菌株編號37凝乳試驗(培養(yǎng)24小時)M28+M51+M42+M43+Lac01L10+S1L1+ (培養(yǎng)72小時)表三、所分離類乳酸菌菌株之革蘭氏染色、型態(tài)觀察及catalase活性試驗菌株編號革藍(lán)氏染色型態(tài)觀察catalase試驗M28短桿菌M51球菌M42球菌M43球菌Lac01短桿菌L10球菌S1短桿菌L1短桿菌 表四、利用API 50CHL鑑定套組鑑定本實驗所分離出之類乳酸菌菌株菌株編號API 50 CHL resultsTaxo

19、n%ida(comments)bM28Pedio.pentosaceus93.0%( good)M51Pedio.pentosaceus93.0%( good)M42Pedio.pentosaceus93.0%( good)M43Pedio.pentosaceus93.0%( good)Lac01Lacto.brevis97.8% (good)L10Pedio.pentosaceus93.0%( good)S1Pedio.pentosaceus93.0%( good)L1Lacto.para.paracasei99.2%(very good) a % id=percentage of iden

20、tification b Identification of selected taxon：excellet=% id99.9 and T0.75；very good=% id99.0 and T0.5；good=% id90.0 and T0.25；acceptable=% id80.0 and T0.0 A B C D E F G H I1000-500- 圖一、本實驗所分離出之類乳酸菌菌株，經(jīng)選定乳酸菌16s rRNA之保守性DNA序列作為primers，進(jìn)行PCR增幅所得到的產(chǎn)物大小分別為（A）100bp DNA ladder；（B）M28 L16S-1/ L16S-2 359bp；（

21、C）M28 L16S-1/ L16S-3 766bp；（D）M28 L16S-1/ L16S-4 1129bp；（E）M28 L16S-1/ L16S-5 1533bp；（F）L1 L16S-1/ L16S-2 359bp；（G）L1 L16S-1/ L16S-3 766bp；（H）L1 L16S-1/ L16S-4 1129bp；（I）L1 L16S-1/ L16S-5 1533bp表五、類乳酸菌L1 16S rRNA序列分析之結(jié)果 1 ACGAAC GAGTTCTCGT 51 TGATGATCGG TGCTTGCACC GAGATTCAAC ATGGAACGAG TGGCGGA.CG 10

22、1 GGTGAGTAAC ACGTGGGTAA CCTGCCCTTA AGTGGGGGAT AACATTTGGA 151 AACAGATGCT AATACCGCAT AGATCCAAGA ACCGCATGGT TCTTGGCTGA 201 AAGATGGCGT AAG.CTATCG CTTTTGGATG GACCCGCGGC GTATTAGCTA 251 GTTGGTGAGG TAATGGCTCA CCAAGGCGAT GATACGTAGC CGAACTGAGA 301 GGTTGATCGG CCACATTGGG ACTGAGACAC GGCCCAAACT CCTACGGGAG 401 GCA

23、GCAGTAG GGAATCTTCC ACAATGGACG CAAGTCTGAT GGAGCAACGC 451 CGCGTGAGTG AAGAAGGCTT TCGGGTCGTA AAACTCTGTT GTTGGAGAAG 501 AATGGTCGGC AGAGTAACTG TTGTCGGCGT GACGGTATCC AACCAGAAAG 551 CCACGGCTAA CTACGTGCCA GCAGCCGCGG TAATACGTAG GTGGCAAGCG 601 TTATCCGGAT TTATTGGGCG TAAAGCGAGC GCAGGCGGTT TTTTAAGTCT 651 GATGTGAAAG CCCTCGGCTT AACCGAGGAA GCGCATCGGA AACTGGGAAA 701 CTTGAGTGCA GAAGAGGACA GTGGAACTCC ATGTGTAGCG GTGAAATGCG 751 TAGATATATG GAAGAACACC AGTGGCGAAG GCGGCTGTCT GGTCTGTAAC 801 TGACGCTGAG GCTCGAAAGC ATGGGTAGCG AACAGGATTA GATACCCTGG 851 TAGTCCATGC CGTAAACGAT GAATGCTAGG TGTTGGAGGG TTTCCGCCC