假單胞菌Rs-198的IAA合成途徑分析

王立娟,楊義琳,高慧鑫,張延妍,何艷慧,武占省,,盧華丹

(1. 西安工程大學 環境與化學工程學院 西安市紡織化工助劑重點實驗室,陜西 西安 710048;2. 石河子大學 化學化工學院,新疆 石河子 832003)

在植物根際土壤發現的82%的促生菌(PGPRs)都可以利用色氨酸或者其中間物合成植物激素吲哚-3-乙酸(IAA)、細胞分裂素、赤霉素等調節植物生長發育的物質,刺激植物側根和根毛的過量生長,進而增加對礦物營養和水分子的吸收,最終促進植物生長[1-5]。其中,IAA是最常見的天然生長素,對植物根系的生長具有有益作用,常被用作蘸根劑的主要成分[6-7]。有研究表明,施加107CFU/mL的BacillusamyloliquefaciensSQR9可以增加黃瓜根長137%和根表面積88%,而同樣處理敲除其IAA基因的菌株卻未對黃瓜的生長產生明顯影響,由此推測菌株SQR9產生的IAA是其發揮促生作用的主要機制[8-9]。

在PGPRs中,IAA的合成主要有5種依賴色氨酸的途徑,分別是吲哚乙酰胺(IAM)途徑、吲哚丙酮酸(IPyA)途徑、色胺(TAM)途徑、吲哚乙腈(IAN)途徑和色氨酸側鏈氧化酶途徑,而且在一種細菌中可能存在一條或者多條途徑[10-12]。Liu等[13]利用高效液相色譜-質譜/質譜(HPLC-MS/MS)分析菌株B.pyrrociniaJK-SH007的發酵液,在其中檢測到了IAA及其中間物吲哚乙酰胺,同時也檢測到了微量的吲哚丙酮酸、吲哚乙腈和色胺,表明IAM途徑為菌株JK-SH007合成IAA的主要途徑。Idris等[14]發現,在添加5 mmol/L色氨酸的條件下,BacillusamyloliquefaciensFZB42菌株的IAA的分泌量增加了5倍;此外,其trp營養缺陷型突變體E101(ΔtrpBA)和E102(ΔtrpED)以及E103(ΔysnE)和E105(ΔyhcX)的培養濾液中的IAA濃度顯著降低,這3個突變株在促進植物生長方面的效率也明顯較低,說明FZB42菌株依賴色氨酸的生長素合成與其促進植物生長功能是相關的。曾秀麗等[15]研究發現,與敲除突變株相比,草螺菌ZXN111的tyrB基因回補菌株產IAA的能力顯著恢復,但與野生型菌株相比,其 IAA 合成量仍然較少,可見tyrB基因在草螺菌ZXN111合成IAA途徑中起關鍵作用,但不是唯一的合成途徑。

筆者所在課題組已經從棉花根際分離出的優勢菌株惡臭假單胞菌Rs-198具有產生IAA的能力[16-17],然而其合成途徑并未解析。因此,本研究對Rs-198菌株的IAA合成途徑進行深入探索,以期對該菌株作為潛在生物肥料的工業化應用提供理論依據和參考。

1 材料方法

1.1 材料

假單胞菌(Pseudomonassp.)Rs-198,由筆者所在課題組前期從植物根際土壤中獲得[18-19](GenBank登錄號:PRJNA780237)。菌株培養條件為1%的種子液接種于液體營養培養基(NA),30 ℃、170 r/min培養36 h。

辣椒:市售普通辣椒種子。

種植基質:市售的珍珠巖(粒徑2 mm)和蛭石(粒徑0.5 mm),混合比例為2∶3(體積比)。

1.2 方法

1.2.1P.putidaRs-198生長測定

在滅菌后分裝有50 mL的NA培養基中分別添加一定量的色氨酸使其終質量濃度為0.1、50、100、150和200 mg/L。接種P.putidaRs-198后在30 ℃、170 r/min培養24 h,在波長600 nm處測定OD600。

P.putidaRs-198生長曲線測定:在色氨酸終濃度為50 mg/L的NA培養液中接種P.putidaRs-198后,30 ℃、170 r/min培養,再分別在接種后的6、12、24、48、72 和96 h吸取3 mL培養液,測定OD600,繪制生長曲線。

1.2.2 IAA的定性定量檢測

IAA的測定采用Salkowski比色法[20],用紫外分光光度計測定反應液在波長530 nm處的吸光值A530,繪制標準曲線,再根據標準曲線計算發酵液中IAA的含量。

1.2.3 HPLC法測定發酵液中的IAA量

發酵液中IAA的測定參照文獻[9]的方法,并加以改進:測試液為不同菌株發酵液,制備待測液后,吸取1 mL發酵液離心,于8 000 r/min、4 ℃離心10 min,取上清液置于凈離心管中,用1 mol/L HCl溶液調節pH至2.5,隨后使用等體積的乙酸乙酯萃取3次,之后使用真空旋轉蒸發儀蒸干,甲醇復溶定容至5 mL,隨后轉移至離心管中保存在-20 ℃冰箱中備用。上樣前,上清液經0.22 μm濾膜過濾后,再進行HPLC分析,根據標準曲線的峰面積計算IAA含量。HPLC分析使用的色譜柱為Agilent Technologies ZORBAX Eclipse Plus C18(4.6 mm×250 mm,5μm),柱溫為30 ℃,流動相為甲醇-0.6%乙酸溶液(兩者體積比為1∶1),流速為0.8 mL/min,檢測波長為254 nm。

1.2.4 IAA合成途徑分析

在NA培養基中分別添加一定質量的中間物(吲哚乙腈、吲哚丙酮酸、色胺或吲哚乙酰胺),使其終質量濃度為80 mg/L。在接種P.putidaRs-198菌株后的3、6和12 h收集發酵液,經樣品前處理后,利用HPLC法測定發酵液中中間物吲哚乙腈、吲哚丙酮酸、色胺或吲哚乙酰胺以及目標終產物IAA的濃度變化。

1.2.5 含色氨酸發酵液辣椒促生能力測定

通過盆栽實驗測定含色氨酸發酵液的促生能力。盆栽實驗設置有5個處理組:①單純NA發酵液(CK);②NA發酵液離心后的上清液(NA-S);③NA發酵液離心后的菌體重懸于等體積的無菌水(NA-C);④NA培養基添加色氨酸后的發酵液離心的上清液(TRY-S);⑤色氨酸添加后發酵液離心的菌體重懸于等體積的無菌水(TRY-C)中。將以上處理液浸泡滅菌的辣椒種子10 min后,播種。待辣椒苗長到兩葉一心的時候,取樣測量辣椒苗的根長、株高、莖粗(游標卡尺測量)和鮮質量等指標。

1.2.6 數據分析

采用Excel記錄并處理相關實驗數據,采用ANOVA進行單因素方差分析,用Origin 9.0(Origin Lab公司)繪圖。

2 結果與討論

2.1 色氨酸加量對P. putida Rs-198生長和IAA產量的影響

考察外源添加不同量的色氨酸對P.putidaRs-198生長和IAA產量的影響,結果見圖1。由圖1可知:與單純的NA培養基培養相比,雖然添加色氨酸并沒有顯著影響P.putidaRs-198細胞的生長,但是IAA的產量隨色氨酸加量的增加會顯著增加,當色氨酸的質量濃度分別為50、100、150和200 mg/L時,IAA的產量分別是不添加色氨酸發酵液的2.47倍、4.02倍、4.88倍和5.07倍。另外,培養基中色氨酸終質量濃度為200 mg/L時的IAA產量是為50 mg/L色氨酸的2倍,然而細胞數量卻相對減少了21%。但是與Myo等[21]添加不同濃度色氨酸對NKZ-259菌株產IAA的研究結果不一致,當色氨酸為10 g/L時,IAA的產量僅為40.22 mg/L。這可能是因為過高的色氨酸對細胞的滲透壓產生了不利影響,影響了菌株細胞的生長。因此,綜合考慮P.putidaRs-198菌株的其他促生特性,選擇50 mg/L色氨酸加量進一步探究其對P.putidaRs-198的細胞生長和IAA產量的關系。

圖1 色氨酸濃度對P. putida Rs-198的生長及IAA產量的影響Fig.1 Effects of tryptophan concentrations on P. putida Rs-198 growth and IAA production

在上述實驗的基礎上,考察添加50 mg/L色氨酸對P.putidaRs-198生長曲線及IAA產量的影響,結果見圖2。由圖2可知:外源添加色氨酸并未對P.putidaRs-198的生長曲線,尤其是各生長期的長短產生影響,P.putidaRs-198細胞生物量在2個處理組中均在培養24 h時達到最大;兩個處理組的P.putidaRs-198的IAA產量都會隨發酵時間延長逐漸增加,經50 mg/L色氨酸處理后,IAA產量顯著高于對照組,并且在96 h時IAA產量可以達到55.52 mg/L,是對照組(15.53 mg/L)的3.58倍。而Liu等[13]研究發現,菌株B.pyrrociniaJK-SH007的IAA產量會隨著色氨酸濃度的增加而持續升高,但是當色氨酸的質量濃度為8.0～10.0 mg/mL時,合成的IAA開始減少,但是依然高于對照組的產量,且在36 h時到達最大(6.969 mg/L)。這主要可能是由于在6～24 h期間為細胞生長的對數期,細胞快速分裂,即24～36 h為生長穩定期,細菌在生長后期開始產生并積累次級代謝產物IAA。類似的,色氨酸的添加不會顯著影響菌株R.tropiciCIAT 899的生長曲線,并且其產生的IAA的量也是開始時緩慢,中期穩定,中后期達到最大(47.83 mg/L)[22]。

圖2 色氨酸對P. putida Rs-198生長曲線和IAA產量影響Fig.2 Effects of exogenous tryptophan on P. putida Rs-198 growth and IAA production

2.2 P. putida Rs-198合成IAA中間代謝產物分析

2.2.1 吲哚丙酮酸添加對P.putidaRs-198代謝產物的影響

在P.putidaRs-198的發酵培養基中添加吲哚丙酮酸(IPyA),以判斷其是否可以利用IPyA合成IAA,結果見圖3。由圖3可知:發酵3 h時,IAA的產量為4.60 mg/L;而12 h時,IAA的含量達到20.94 mg/L,是不添加IPyA處理組的2.16倍,且此時IPyA已被完全消耗殆盡。另外,IPyA的下游另一類產物吲哚-3-乳酸(ILA)從3 h起就有較高的含量,但是隨時間延長并未有明顯變化,而IAA的量卻在逐漸增加,表明IPyA在發酵3 h之后的消耗主要是在向IAA轉化,有可能是因為P.putidaRs-198菌株含有充足的吲哚丙酮酸脫羧酶及醛脫氫酶,使得IPyA不斷向IAA轉化。然而,添加色氨酸后,P.putidaRs-198菌株中IAA的量并不會無限制增長,這可能是因為此菌缺乏從色氨酸到吲哚丙酮酸轉化的氨基轉移酶,所以推斷P.putidaRs-198依賴IPyA途徑合成IAA,這是主要限速步驟。而Koga等[23]發現,在最高添加1 mg/mL色氨酸的腸桿菌發酵液中,同時檢測到了IAA、ILA和吲哚-3-乙醇(TOL),但是在有氧條件下IAA的產量較高,而在少氧條件下,ILA和TOL的產量則要高一些,充分說明腸桿菌通過IPyA和吲哚乙醛(IAAld)將色氨酸轉化為IAA。

圖3 IPyA添加對P. putida Rs-198合成IAA的影響Fig.3 Effects of IPyA on IAA production in P. putida Rs-198

2.2.2 色胺添加對P.putidaRs-198代謝產物的影響

考察外源添加色胺(TAM)對P.putidaRs-198代謝產物的影響,結果見圖4。由圖4可知:在發酵3 h時,發酵液中的TAM的含量較高,且未檢測到IAA;而在6和12 h時,TAM峰面積減小的同時,IAA的峰面積卻逐漸增大,表明P.putidaRs-198可以利用TAM途徑合成IAA。同時發現,在12 h時,發酵液中仍有TAM,表明P.putidaRs-198可以TAM為底物合成IAA,但是該途徑中催化IAA轉化的色胺氧化酶或醛脫氫酶產量有限,限制了其向IAA的不斷轉化。結合IPyA途徑的醛脫氫酶量充足可以推斷,色胺氧化酶為P.putidaRs-198可通過TAM途徑利用色氨酸合成IAA,色胺氧化酶是主要限速酶。

圖4 添加TAM對P. putida Rs-198合成IAA的影響Fig.4 Effects of TAM addition on IAA production in P. Putida Rs-198

2.3.3 吲哚乙酰胺添加對P.putidaRs-198代謝產物的影響

考察外源添加吲哚乙酰胺(IAM)對P.putidaRs-198代謝產物的影響,結果見圖5。由圖5可知:在發酵培養3、6和12 h時,IAM的濃度并沒有發生明顯的變化;與不添加IAM相比,IAA的產量變化也不顯著,分別為0.56、1.50和8.32 mg/L,表明P.putidaRs-198菌株可能無法利用外源添加的IAM來合成IAA。

圖5 外源添加IAM對IAA合成的影響Fig.5 Effects of IAM addition on IAA production in P. putida Rs-198

2.2.4 吲哚乙腈添加對P.putidaRs-198代謝產物的影響

考察外源添加吲哚乙腈(IAN)對P.putidaRs-198代謝產物的影響,結果見圖6。由圖6可知:與添加IAM類似,發酵培養3、6和12 h時, IAN的濃度并沒有產生明顯的變化,特別12 h時發酵液中IAA的濃度與對照相比反而減少了59.37%,可以推斷,P.putidaRs-198并不能利用外源添加的IAN合成IAA。

圖6 外源添加IAN對P. putida Rs-198 IAA合成的影響Fig.6 Effects of exogenous addition of IAN on IAA production in P. Putida Rs-198

2.3 P. putida Rs-198菌株中與IAA合成相關酶編碼基因分析

對P.putidaRs-198進行了全基因組測序和KEGG功能注釋,結果見表1。由表1可知:在KEGG的mapko00380色氨酸代謝途徑中,5個與IAA相關酶編碼基因被鑒定出來,其中,有吲哚乙酰胺途徑的單加氧酶(IaaM,EC 1.13.12.3)、吲哚乙酰胺水解酶(AmiE,EC 3.5.1.4)。目前,IAM途徑是細菌研究最為深入的吲哚乙酸合成途徑,IAA合成前體色氨酸首先由色氨酸單加氧酶(IaaM)氧化為IAM,第二步是IAM水解酶將IAM轉化為IAA和氨,這一途徑也為植物提供了額外的氮源,然而這一途徑產生的IAA只占IAA總合成量的1%[2]。因此,這也解釋了為什么P.putidaRs-198全基因組數據分析結果中同時含有色氨酸單加氧酶(IaaM)和酰胺酶(AmiE)。但本研究結果顯示,額外添加的IAM并未明顯增加IAA合成的產量。此外,吲哚乙腈途徑中的腈水解酶(nitrilase,EC 3.5.5.1)被注釋,但沒有發現從色氨酸到吲哚乙腈反應途徑的氧化還原酶和醛肟水解酶。同時還發現,參與色胺途徑、吲哚丙酮酸、色氨酸側鏈氧化途徑中的醛脫氫酶(EC 1.2.1.3)以及色胺到吲哚-3-乙醛的色氨酸氧化酶(MAO,EC 1.4.3.4),但是沒有發現從色氨酸到色胺反應途徑的色氨酸脫羧酶、吲哚-3-乙醛的氨基轉移酶和吲哚丙酮酸脫脫羧酶以及色氨酸側鏈氧化酶。這與在添加TAM以及IPyA對P.putidaRs-198代謝產物的影響結果一致,TAM、IPyA消耗的同時,IAA逐漸增加,說明該菌中含有色胺氧化酶和醛脫氫酶。

表1 P. putida Rs-198合成IAA的基因信息及功能注釋

因此推測的P.putidaRs-198菌株IAA合成途徑如圖7所示,綠色斜體字為菌株編碼的相關酶,藍色表示可以利用的中間物。粗箭頭表示丙酮酸脫羧酶和色胺氧化酶催化吲哚丙酮酸和色胺生成產物吲哚乙醛以及醛脫氫酶在途徑中占主導地位。

圖7 P. putida Rs-198菌株IAA合成途徑推測Fig.7 IAA synthetic pathway speculation of P. putida Rs-198

2.4 添加色氨酸培養的P. putida Rs-198對辣椒生長影響

利用盆栽實驗比較添加色氨酸的發酵液對辣椒生長的影響,結果見表2。由表2可知:NA-S和NA-C處理組與全發酵液組相比,并不能顯著影響辣椒植株的生長;添加色氨酸之后再培養P.putidaRs-198獲得的發酵液,其上清液(Try-S)和菌懸液(Try-C)都可以明顯促進辣椒的根長、株高和莖粗,根長分別增長了35.31%和21.34%、株高分別增高了31.99%和18.73%、莖粗分別增加了22.75%和11.51%。這可能是因為色氨酸的添加促進P.putidaRs-198合成的大量IAA,主要積累在上清液中?？梢?外源添加色氨酸發酵P.putidaRs-198可以促進辣椒苗的生長。這與文獻[9,24]的結果較為一致。因此,在應用P.putidaRs-198時,在它的培養基中補充關鍵氨基酸色氨酸將會使其在土壤中發揮更好的促生效果。

表2 色氨酸發酵液對辣椒苗生物量的影響

3 結論

經研究發現,添加低濃度色氨酸對P.putidaRs-198菌株的生長不產生影響,但是其IAA合成量卻可以隨著色氨酸加量的增加而顯著增加;50 mg/L色氨酸為最佳加量,可用于P.putidaRs-198生長曲線及IAA合成途徑分析。在P.putidaRs-198中,對色氨酸到IAA的途徑分析結果表明,IPyA和TAM為P.putidaRs-198合成IAA利用的主要中間物,也是主要合成途徑,其中色胺氧化酶為限速酶。另外,IAM和IAN的添加并不影響P.putidaRs-198合成IAA。盆栽實驗表明,添加50 mg/L色氨酸培養P.putidaRs-198后的發酵上清液和菌懸液都可以明顯增加辣椒苗的生物量,充分證明P.putidaRs-198菌株可以利用色氨酸合成IAA,是非常有潛力的新型植物促生菌劑。