大熊猫肠道纤维素分解菌的筛选及β-葡萄糖苷酶基因的克隆与表达

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大熊猫是我国特有的珍稀野生动物,以富含高纤维素的竹类为主食,但其消化纤维素的能力不佳,主要依赖于其肠道内微生物对纤维素的分解作用,B-葡萄糖苷酶是微生物降解纤维素过程的重要限速酶,不同来源的B-葡萄糖苷酶及其基因在大小、结构以及理化特征上均有不同,本研究从大熊猫肠道内分离筛选得到纤维素分解菌,进一步研究其B-葡萄糖苷酶的活力及影响因素,构建工程菌对B-葡萄糖苷酶基因进行表达,对研究大熊猫肠道微生态制剂具有重要意义。从雅安碧峰峡野生动物园15只大熊猫粪样中分离、筛选得到5株具有分解纤维素能力的细菌,分别对5株菌进行形态学、生理生化鉴定,初步推断5株菌均为芽孢杆菌,将5株菌与相关菌种的16SrDNA序列构建系统发育树,发现均与Bacillus sp. (HM17927.1)处于同一分支上,进化距离最短,该结果与BLAST的结果一致。再结合16SrDNA测定序列对比分析,可确定5株菌均为厚壁菌门(Firmicutes)的芽孢杆菌属(Bacilli)。利用水杨苷法分别测得菌株QY, HH、YH、YY、AA的初始β-葡萄糖苷酶酶活分别为3.65 U/mL、2.43 U/mL、2.51 U/mL、1.36U/mL、7.32 U/mL。选择酶活力较高的菌株QY、YH、AA,通过改变菌株的接种量、培养时间、培养温度、培养基初始pH、碳源、氮源等条件进行产酶条件的优化,最终发现3株菌的酶活力均大幅度提高,分别达到21.83 U/mL、19.05 U/mL、20.77 U/mL。选择酶活最大的菌株QY为B-葡萄糖苷酶基因提供菌,克隆B-葡萄昔酶基因bgl H,大小为1321bp,利用表达载体pET-22b (+)在大肠杆菌BL21成功进行了bgl H基因的转化和表达,通过对BL21/pET-bgl H诱导后上清进行酶活测定,发现酶活达到36.3 U/mL。对表达粗产物进行B-葡萄糖苷酶酶学性质研究,结果显示,表达得到的B-葡萄糖苷酶最适温度为36℃,最适pH5.5,30℃时热稳定性较好,40℃处理20 mmin,酶活仍能维持原酶活的60%左右,当在超过50摄氏度的环境处理时,酶活迅速下降,温度越高,酶活下降越快。在pH 5-6.5范围内,相对酶活力都较高,在碱性环境中,酶活降低更快,显示出更差的稳定性,当pH超过8时,基本丧失酶活。本研究结果表明,大熊猫肠道内存在能够分解纤维素的细菌,通过对细菌产酶条件的优化,可以提高纤维素分解菌的酶活力,同时对B-葡萄糖苷酶基因的克隆并构建工程菌,成功得到了B-葡萄糖苷酶的高效表达,为以后大熊猫肠道微生态制剂的研制提供了可参考的菌源。
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