2. 中国农业科学院特产研究所, 吉林省特种经济动物分子生物学省部共建国家重点实验室, 长春 130112
2. State Key Laboratory of Special Economic Animal Molecular Biology, Institute of Special Animal and Plant Science, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Changchun 130112, China
乳酸菌指发酵糖类主要产物为乳酸的一类无芽孢、革兰氏染色阳性细菌的总称,主要存在食品、乳酪、酸奶中,同时也存在于人和其他动物口腔、胃肠道中。研究发现,伊氏乳杆菌对低pH和胆汁盐都具有很强的耐受力,这可能得益于它能在肠道形成生物膜[1-3]。Kos等[4]研究发现,乳酸菌通过竞争黏附位点和产生抗菌物质等方法来抑制致病菌的生长繁殖。赵天智等[5]研究发现,益生菌制剂能够改善猪的肠道形态,增加绒毛高度,降低隐窝深度,提高绒毛高度/隐窝深度。
同源益生菌相较于异源益生菌,具有快速适应动物肠道环境、定植能力强、便于发挥益生作用等优势,同时还可降低由于来源不同可能产生的免疫风险[6-7]。蓝狐作为重要的特种经济动物,国内外对其微生态制剂研究较少。市场上销售的益生菌产品中核心菌种多来源于人和乳制品,且菌株以进口为主[8-9]。
本试验从健康蓝狐肠道分离鉴定获得罗伊氏乳杆菌,并对菌株生长特性、产酸特性、人工胃肠液抗性、抗生素敏感性、抑菌能力、疏水性、自凝聚性及对狐狸小肠上皮细胞黏附能力等进行评价,此外,还评价了菌株对小鼠的经口毒性作用,以明确蓝狐肠道罗伊氏乳杆菌的生物学特性,以期为犬科动物益生菌制剂研发提供备选菌株。
1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 试验菌株和细胞罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri) ZJF036 、大肠杆菌(Escherichia coli)ATCC25922、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)ATCC25923、沙门氏菌(Salmonella)ATCC14028、鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)GG及狐狸肠道上皮细胞均由中国农业科学院特产研究所特种动物营养与饲料团队提供。
1.1.2 试验动物20日龄雄性昆明小鼠10只,体重20~22 g,许可证号SCXK(辽)2015-0001,购于辽宁长生生物技术股份有限公司。
1.2 试验方法 1.2.1 样品采集取蓝狐部分肠段,无菌棉线封住肠段两端,低温保存,带回实验室进行下一步处理。
1.2.2 分离培养无菌操作台内剪开肠段,采集肠段中间适量内容物,置于提前备有磷酸盐缓冲液(PBS)的无菌离心管中,振荡混合均匀,吸取混合液,加入PBS,依次进行10倍倍比稀释,选择10-4、10-5,10-6倍稀释液,各取200 μL稀释液,利用含有碳酸钙的乳酸细菌培养基(MRS)倾注培养,在37 ℃的恒温培养箱中培养48 h。挑选具有溶钙圈的菌落,反复平板划线培养48 h以获得纯化菌株,筛选和保留革兰氏阳性菌株,已纯化菌株用脱脂乳冻干保存。
1.2.3 菌落形态及染色观察冻干菌粉采用液体MRS复苏,在37 ℃下恒温培养24 h,取适量菌液接种到新的液体MRS中。取过夜新鲜细菌培养液,采用平板划线法培养,观察菌落颜色形态,接菌环取部分菌体,进行革兰氏染色,利用显微镜进行检查。
1.2.4 细菌16S rRNA序列同源性分析细菌基因组DNA的提取按照Fast DNA SPIN Kit说明书进行。以提取的细菌总DNA为模板,选用细菌16S rDNA通用引物,上游引物27F:AGAGTTTGATCMTGGCTCAG;下游引物1492R:TACGGYTACCTTGTTACGACTT;PCR反应体系见表 1。
PCR扩增条件:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃复性2 min,25个循环;72 ℃延伸10 min。
PCR产物送至吉林省库美生物科技有限公司测序。将检测获得的16S rRNA基因序列与NCBI数据库中的序列通过BLAST比对后,利用MEGA 7.0软件中以Neighbour-Joining法构建系统发育树,进行菌株同源性比较[10]。
1.2.5 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 生长特性及产酸特性取对数生长期菌液,按2.0%接种量接种于液体MRS中,以未接菌液体MRS为空白,37 ℃静置培养24 h,每隔2 h取1次培养液分别测定600 nm处吸光度(OD)600值和pH,以时间为横坐标,培养液的OD600值和pH为纵坐标,绘制生长曲线和产酸曲线。
1.2.6 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 抗生素敏感试验采用K-B药敏纸片琼脂扩散法[11]。取对数生长期菌液按2.0%接种量接种于液体MRS中,37 ℃、180 r/min振荡培养12 h,4 ℃、6 000 r/min离心10 min,收集菌体,并用生理盐水洗涤2次,洗涤后用生理盐水调整浓度约为1×108 CFU/mL,吸取200 μL菌悬液涂板,贴药敏片,每种药敏片3个重复,37 ℃静置培养24 h,测量药敏圈直径,与CLSI标准作比较以判定菌株药物敏感性[12]。
1.2.7 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 发酵上清液对不同致病菌的抑制作用发酵上清液制备:取对数生长期菌液按2.0%接种量接种于液体MRS中,37 ℃、180 r/min振荡培养24 h,4 ℃、6 000 r/min离心10 min,取上清液,0.2 μm无菌滤膜过滤,备用。
采用牛津杯法(牛津杯外径×内径×高度=8 mm×6 mm×10 mm)测定发酵上清液抑菌活性,每杯150 μL发酵上清液,方法参考张在[13]。
1.2.8 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 对人工胃液和人工肠液的耐受性按2013版《中国药典》配制pH=3.0的人工胃液和pH=6.8的人工肠液,均以0.22 μm微孔无菌滤膜过滤备用。新鲜过夜培养菌液,离心,菌液重新悬浮,按重悬液:人工胃液或人工肠液=1 : 9体积比混合均匀,37 ℃静置培养,分别取0、1.5和3.0 h培养液,倍比稀释后平板涂布,进行活菌计数,重复3次取平均值,计算细菌存活率:
式中:N0为0 h活菌数;Nt为t(t=1.5或3.0) h活菌数。
1.2.9 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 对不同浓度胆盐的耐受性在液体MRS中加入胆盐(胆酸含量≥65%),使其终浓度分别0.2%(Ⅰ组)和0.4%(Ⅱ组),并以不添加胆盐的作为对照组。罗伊氏乳杆菌 ZJF036 按4.0%接种于上述不同浓度胆盐的液体MRS中,37 ℃培养12 h,每隔6 h测定培养液OD600值,每个时间点3个重复,取平均值。
1.2.10 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 表面疏水性及自凝聚性采用细菌碳烃化合物黏着法[14],通过乳酸菌对碳烃化合物的亲和力来测定菌株疏水性。PBS洗涤过夜培养的新鲜菌液并调节菌液OD600值=0.25±0.05(A0)作为待测液,取3 mL待测液与等体积二甲苯混合,涡旋振荡3 min,在37 ℃下分别孵育1和2 h,吸取水相(形成两相体系,水相在下层),测量OD600值(At),每个时间点3个重复。疏水率(CSH)计算公式如下:
式中:At为1或2 h的吸光度;A0为0 h的吸光度。
参照Shekh等[15]的方法并略有修改。取37 ℃培养16 h新鲜菌液,4 ℃、8 000×g离心10 min,PBS洗涤2次,2倍体积PBS重新悬浮细菌,取2 mL上述待测液,涡旋振荡10 s,测其在OD600值(A0),37 ℃分别静置2和4 h,小心吸取上清液200 μL,测其OD600值(At)。每个时间点3个重复。自凝聚率计算公式如下:
式中:At为2或4 h的吸光度;A0为0 h时的吸光度。
1.2.11 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 细胞黏附能力将狐狸小肠上皮细胞按常规传代方法培养于DMEM培养液中,10% CO2培养箱37 ℃培养,每2 d换液1次。将培养好狐狸小肠上皮细胞制成细胞浓度为5×104个/mL的细胞悬液,向已放置玻璃爬片的24孔板中加入2 mL细胞悬液,10% CO2培养箱37 ℃培养。待玻璃爬片上形成单层细胞后,吸出孔内旧的细胞培养液,用PBS清洗3次后每孔分别加入1 mL培养24 h的新鲜罗伊氏乳杆菌菌液和新鲜鸡源鼠李糖乳杆菌(菌液浓度调节为1×108 CFU/mL),再各加入1 mL细胞培养液,37 ℃厌氧培养2 h。吸出孔内的混合液体,用PBS漂洗3次后每孔加入适量的多聚甲醛固定30 min。吸出孔内的多聚甲醛,用PBS漂洗3次后进行革兰氏染色,显微镜下每孔随机计数30个视野,每个视野选择单个分布的细胞,通过计数黏附在30个细胞上的菌体个数,来判断黏附能力的大小[16]。
1.2.12 罗伊氏乳杆菌 ZJF036 动物安全性试验参考GB 5193.3—2014设计试验。小鼠10只,适应期7 d,随机分为2组,每组5只,对照组(Ⅰ组)每只灌服生理盐水0.2 mL,试验组(Ⅱ组)每只灌服1×109 CFU/mL发酵菌液0.2 mL,连续7 d定时灌胃,每天记录小鼠状态。7 d后心脏采血,测定血液中白细胞(WBC)、淋巴细胞(LYM)、红细胞(RBC)数量和总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)含量以及谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)活性。
1.3 数据处理数据采用SPSS 17.0中单因素方差分析,结果以平均值±标准差表示,其中P>0.05表示差异不显著,P<0.05表示差异显著,P<0.01表示差异极显著;采用GraphPad Prism 5软件作图。
2 结果与分析 2.1 菌株形态及革兰氏染色菌株形态及革兰氏染色结果见图 1。菌株在MRS平板上的菌落形态为圆形、乳白色、边缘整齐、表明无褶皱、湿润有光泽;革兰染色结果显示为阳性,显微镜下菌体形态表现为单个、成对或成链状排列及不产芽孢的杆状细菌;在碳酸钙MRS上出现明显的溶钙圈。
采用细菌16S rRNA通用引物进行PCR扩增后,得到1条长度约1 500 bp的特异性条带(图 2),PCR产物送库美生物公司测序,并根据菌株的16S rRNA测序结果,在NCBI数据库中寻找相近序列(登录号KR492885.1、MG685802.1、MK564724.1、MN128548.1、KT343143.1、X94230、AJ422032.1、AB907192.1、HF679037),使用MEGA 7.0软件进行同源性比较,以Neighbor-Joining法构建系统发育树(图 3),根据亲源关系分析鉴定得出菌株 ZJF036 为罗伊氏乳杆菌。
如图 4所示,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在24 h内生长曲线分为迟缓期、对数生长期、稳定期,未进入衰亡期,符合一般细菌生长规律。通过OD600值发现,接种后0~4 h内菌液OD600值变化较小,细菌生长缓慢,为生长迟缓期;4 h后OD600值变化较大,进入对数生长期,生长迅速;10~24 h以后细菌OD600值稳定在1.41,处于稳定期。与此对应的是,随着培养时间的延长,发酵液pH下降,在接种4 h内培养液pH变化较小,对应生长迟缓期;而在4~10 h内pH从6.13下降至3.83,对数生长期pH变化幅度较大;10~24 h培养液pH稳定在3.80,对应稳定期。
由表 1可知,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 对麦迪霉素、头孢曲松、多黏菌素B和氯霉素4种抗生素敏感,氯霉素抑菌圈直径最大达(23.0±1.00) mm,对青霉素和新霉素中度敏感,对环丙沙星、氨苄西林、丁胺卡那和万古霉素4种抗生素不敏感。
由表 2可知,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 发酵上清液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌具有不同的抑制作用。其中,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 发酵上清液对大肠杆菌的抑菌能力最强,抑菌圈直径达(22.3±1.15) mm;对金黄色葡萄球菌抑制能力相对最弱,抑菌圈直径为(14.3±0.58) mm。
由表 3可知,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在人工胃液中分别孵育1.5和3.0 h后,存活率分别为94.55%和93.26%;罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在人工肠液中分别孵育1.5和3.0 h后,存活率分别为96.58%和94.22%。罗伊氏乳杆菌JF036在人工胃液和人工肠液中处理后活菌数均高于1.0×108 CFU/mL,说明罗伊氏乳杆菌 ZJF036 对人工胃液和人工肠液的耐受性能良好。
如图 5所示,在0 h,3组之间OD600值差异不显著(P>0.05);在6 h,对照组、Ⅰ组和Ⅱ组OD600值分别为1.32±0.01、0.89±0.01和0.68±0.02,Ⅰ组和Ⅱ组与对照组相比差异极显著(P<0.01);在12 h,对照组、Ⅰ组和Ⅱ组OD600值分别为1.38±0.01、1.07±0.01和0.51±0.02,Ⅰ组和Ⅱ组与对照组相比差异极显著(P<0.01)。结果表明,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 能够在浓度为0.2%和0.4%的胆盐MRS中生长,但与对照组相比,随着培养时间增加,6和12 h,0.2%和0.4%胆盐MRS培养液中OD600值均明显下降,但12 h与6 h相比,OD600值略有增加,由此说明,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在无胆盐MRS培养液中生长效果最好,在0.2%胆盐MRS培养液中生长效果次之,在0.4%胆盐MRS培养液中生长效果最弱,但仍能生长。
由图 6可知,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 经过二甲苯处理1和2 h,其疏水率分别为82.27%和82.70%,2组之间差异不显著(P>0.05)。
由图 7可知,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在2和4 h自凝聚率分别为32.47%和41.70%,随着孵育时间增加自凝聚率极显著提高(P<0.01)。
本试验以实验室自主分离获得的狐狸小肠上皮细胞作为黏附模型,对罗伊氏乳杆菌 ZJF036 和鸡源鼠李糖乳杆菌GG的体外黏附能力进行评估。黏附结果及黏附效果分别见图 8和图 9,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在狐狸小肠上皮细胞上黏附数为(77.0±8.0) CFU/细胞,鼠李糖乳杆菌GG在狐狸小肠上皮细胞上黏附数为(27.0±7.0) CFU/细胞,两者黏附数差异极显著(P<0.01)。这说明狐源罗伊氏乳杆菌 ZJF036 相较于鸡源鼠李糖乳杆菌GG具有更强的肠道定植能力。
在灌胃期间,小鼠全部健康存活。由表 4可知,Ⅰ组与Ⅱ组之间血液白细胞、淋巴细胞、红细胞数量和总蛋白、白蛋白含量及谷丙转氨酶和谷草转氨酶活性均无显著差异(P>0.05),且都在正常范围内。
罗伊氏乳杆菌作为一种可应用于食品、发酵和饲料添加剂的益生菌菌种,具有广阔的发展前景。已经有从人、猪和发酵食品中分离到罗伊氏乳杆菌的报道[13, 16],但从蓝狐中分离到乳酸菌的报道较少。Shi等[17]研究发现,罗伊氏乳杆菌可诱导肠杆菌细胞结构损伤,抑制细菌胞内蛋白合成,从而抑制大肠杆菌ATCC13076生长。有研究发现,罗伊氏乳杆菌可通过提高小鼠抗氧化能力,减轻肠道炎症反应,保护坏死性小肠结肠炎小鼠肠道[18]。Mccoy等[19]从犬肠道分离的罗伊氏乳杆菌能够抑制鼠伤寒沙门氏菌生长。研究发现,罗伊氏乳杆菌无菌上清液可以抑制幼虫芽孢杆菌(Paenibacillus larvae)生长[20]。罗伊氏乳杆菌拥有良好的益生功能,具有作为益生菌制剂的潜力。
微生物生长曲线,总共经历迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期4个时期,主要反映了菌株的生长和代谢情况[21]。研究发现,益生菌进入肠道,生长迅速,易在微生物竞争中获得优势,成为优势菌群[22]。本试验中,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 培养4 h进入对数生长期,10 h进入稳定期,pH最低至3.80,直观反映出菌株具有较好的稳定性和产酸能力,培养后期还可通过补充营养物质和调节pH提高菌体浓度。
抗生素敏感性试验表明,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 对环丙沙星、氨苄西林、丁胺卡那和万古霉素4种抗生素具有耐药性,对青霉素、麦迪霉素、新霉素、氯霉素、多黏菌素B和头孢曲松6种抗生素敏感。有研究发现,不同来源的罗伊氏乳杆菌对万古霉素的敏感性不同甚至相反[23-24]。研究发现,肠道微生物可以通过自发突变或肠道内耐药基因携带位点在质粒上的其他微生物水平转移来获得抗性基因,产生抗生素抗性[25-26]。罗伊氏乳杆菌 ZJF036 耐药基因携带位点还需进一步确定。通过本试验认识了罗伊氏乳杆菌 ZJF036 的耐药性,可为生产上益生菌制剂与抗生素药物联合使用提供依据。研究发现,猪源罗伊氏乳杆菌菌体、发酵液和无菌上清均具有抑菌性能[27]。一般认为,乳酸菌抑菌能力与其产生的乳酸、乙酸等有机酸及细菌素等代谢产物有关,其中罗伊氏菌素是一种非蛋白质类广谱抗菌物质[28-29]。
乳酸菌摄入进入体内后,能否耐受胃酸消化作用并有一定数量活菌进入肠道黏附定植是其发挥益生作用的首要因素[30-31]。因此,耐受模拟胃肠液是评价益生菌功能性的重要指标[27]。有报道指出,在pH 3.0环境下消化1.5~3.0 h后菌株的存活率被认为是衡量菌株耐酸性的标准之一[32-33]。罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在人工胃液和人工肠液中处理3 h,依然能够保持1×108 CFU/mL以上的活菌数,表明其能够有效穿过胃肠液发挥其益生作用[24, 34-36]。乳酸菌通过胃肠液后,耐受小肠中一定浓度的胆盐作用有利于其在宿主肠道中定植[37]。动物肠道中不同部位胆盐浓度不同,在0.03%~0.30%波动[38]。罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在0.2%和0.4%胆盐MRS培养液中生长效果良好,结果与Zhang等[39]相似。研究表明,罗伊氏乳杆菌耐胆盐能力与形成生物膜能力有关[3]。综上,罗伊氏乳杆菌 ZJF036 能够穿过胃液、耐受胆盐,可在肠道环境存活,具有作为微生态制剂的潜在条件。
乳酸菌通过竞争性抑制致病菌附着、增加肠内有益菌数量、提高肠道屏障功能、刺激肠道黏膜、调节机体免疫等来发挥益生作用[40-41]。益生菌黏附在上皮细胞或肠黏膜表面且能增殖到一定数量是发挥益生作用的前提,联合国粮农组织/世界卫生组织(FAO/WHO)将黏附能力作为筛选益生菌的重要标准之一[42]。近些年,自凝聚集能力和疏水性被广泛地用于评价细菌黏附性[14]。细菌的黏附能力与菌体表面性质存在较大的相关性[43-44]。研究发现,乳酸菌对细胞黏附能力与其疏水性存在显著的相关性[45-46],但也有研究发现,认为两者之间没有相关性[47-48]。罗伊氏乳杆菌 ZJF036 在狐狸肠道上皮细胞黏附数量为(77.0±8.0) CFU/细胞,与其高疏水性相符,但与其自凝聚率没有关系。研究发现,自凝聚率对疏水性和菌株对细胞的黏附性没有影响[49],这与本试验结果一致。狐源罗伊氏乳杆菌 ZJF036 与鸡源鼠李糖乳杆菌GG对狐狸肠道上皮细胞的黏附数相比,差异极显著;与猪源、人源罗伊氏乳杆菌对Caco-2细胞或HT-29细胞黏附性[36-37, 41]相比,狐源罗伊氏乳杆菌 ZJF036 对狐狸肠道上皮细胞的黏附性更强。Kainulainen等[50]发现,犬源乳杆菌对犬结肠黏液黏附能力高于猪结肠黏液的黏附能力,这与本试验结果相一致。而这些很可能得益于原籍菌对宿主的先天优势[7]。
微生态制剂菌种除具备良好的潜在益生特性外,还需要对动物机体安全、无毒副作用。动物机体营养物质的变化或者机体病理变化可通过血液生理生化指标的变化体现出来[51-52]。本试验中,2组小鼠血常规和血液生化检测结果无显著差异,且都在正常范围内。这说明罗伊氏乳杆菌没有损伤小鼠造血功能和肝功能,没有引起小鼠的炎症反应。
4 结论综上所述,狐源罗伊氏乳杆菌 ZJF036 生长迅速,具有良好的生长性能、产酸性能和抑菌能力;对麦迪霉素、头孢曲松、多黏菌素B和氯霉素敏感;能够耐受人工胃液、人工肠液和胆盐的作用;具有较好的疏水性,对狐狸肠道上皮细胞的黏附性能高于鸡源鼠李糖乳杆菌GG;对小鼠造血功能和肝功能没有影响。这表明罗伊氏乳杆菌 ZJF036 可作为犬科动物蓝狐益生菌制剂的备选菌株。
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