表达β-甘露聚糖酶工程乳酸菌的构建及其对鲤协同益生作用

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水产养殖集约化、规模化发展导致鱼粉等蛋白饲料日益短缺,植物蛋白源饲料因其价格低廉及资源较多而被广泛应用于养殖过程中,但植物蛋白源饲料中抗营养因子甘露聚糖的存在,会增加肠道食糜的粘度,造成动物消化率低等弊端。乳酸菌作为食品级安全微生物,常被用作异源表达的受体菌株来构建重组乳酸菌。本试验探究了乳酸乳球菌NZ9000的产酸能力、抑菌作用、对胆盐环境的耐受性、对高温以及低p H条件的耐受能力,对抗生素的敏感性等生物学特性。试验结果表明乳酸菌具有较强的产酸能力,可耐受90℃高温、p H 3.0和0.3%的胆盐环境,对病原菌大肠杆菌(Escherichia coli)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophilia)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)有抑制效果,抗菌药物药敏纸片测试该乳酸乳球菌对9种抗生素均表现敏感,试验结果表明该乳酸菌为安全菌株。本试验通过基因工程技术克隆贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)中的β-甘露聚糖酶全长基因序列,克隆得到的man A序列大小为1083 bp,包含360个氨基酸和一个终止密码子,基因前端24个氨基酸为信号肽序列,理论基因编码分子量大小约为34.78k Da,预测其等电点为p H 5.24。采用限制性内切酶KpnⅠ和Sac I对重组克隆载体双酶切后,在T4DNA连接酶作用下与表达载体p NZ8148连接,构建重组质粒p NZ8148-man A,电转化法导入乳酸菌中,Nisin诱导重组质粒的表达,从而构建一株能够表达β-甘露聚糖酶的工程乳酸菌,通过刚果红染色法初步鉴定工程乳酸菌具有产β-甘露聚糖酶能力,DNS法测得酶活性为74.3 U/m L。对工程乳酸菌的酶学性质研究表明该酶最佳反应温度和p H值为40℃和6.0,30-45℃温度范围内酶活性较为稳定,在p H为4-6范围内,相对酶活性较高为61.74%以上,金属离子Fe3+、Zn2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+、Co2+、Ba2+、Ag+对工程乳酸菌酶活性表达均具有促进作用,金属离子Cu2+、K+、Na+、Ni+、Li+及EDTA对酶活性表达具有抑制作用。与槐豆胶底物相比,该酶对魔芋粉的亲和作用更强,酶动力学参数表明工程乳酸菌粗酶液与瓜尔胶底物反应速率最快,与魔芋粉底物反应时亲和作用最佳。研究结果表明工程乳酸菌构建成功并能够有效表达β-甘露聚糖酶活性。本试验为深入探究工程乳酸菌在水产养殖中的实际应用,选取180尾初始体重为(19.30±0.10)g的健康黄河鲤,分为三个组,每组3个平行,对照组饲喂基础饲料(CK),试验组A组在基础饲料中添加浓度为10~8CFU/g乳酸菌,试验组B组中添加10~8CFU/g的工程乳酸菌,饲喂30d和60d后探究工程乳酸菌对黄河鲤生长性能的影响。在养殖试验基础上设置攻毒及预防实验,分为四个处理组,对照组(CK组)灌喂PBS,处理组(A组)灌喂乳酸菌,处理组(B组)灌喂工程乳酸菌,进行15d的灌喂试验后注射10~8CFU/g的嗜水气单胞菌(A.hydrophila),预防组(C组)注射10~8CFU/g的嗜水气单胞菌后灌喂15d的工程乳酸菌,所有实验组均设置三个平行。试验结束后对免疫相关指标、血清中生理生化指标、肝脏的抗氧化酶活性以及肠道健康等相关指标进行测定。试验结果如下:1.生长指标及相关免疫指标:从试验结果得知,饲喂30d工程乳酸菌组FBW及WGR与对照组相比有上升趋势,B组与对照组相比SGR显著性增加(P<0.05),FCR与对照组相比显著降低(P<0.05)。60 d养殖试验结束后,B组与对照组及A组相比FBW、WGR均显著性增加(P<0.05),与对照组相比,SGR有显著上升(P<0.05),FCR显著降低(P<0.05)。试验组B组肝脏中T-AOC、CAT、SOD和LZM活性均显著高于对照组(P<0.05),MDA含量显著下调(P<0.05)。工程乳酸菌能够促进血清中GLU、HDL-C、AST、AKP和ACP含量显著性上升(P<0.05),CHO、TG、LDL-C含量显著下调(P<0.05),ALT含量相比对照组无显著性差异(P>0.05)。对甘露寡糖相关通路基因表达水平探究表明,试验组B组能够显著上调肝脏IGF-1、IGF-2、IGFBP-2和IGFBP-3基因的表达水平。嗜水气单胞菌处理后,试验组B组与对照组相比,促炎细胞因子TNF-α、IL-1β的表达水平得到显著下调,同时工程乳酸菌上调了抗炎细胞因子TNF-β和IL-10的表达(P<0.05)。2.肠道健康和肠道组织观察:工程乳酸菌处理后,鲤前、中、后肠的蛋白酶和脂肪酶活性显著高于对照组(P<0.05),淀粉酶活性在中肠和后肠的显著低于对照组(P<0.05),β-甘露聚糖酶活性显著升高(P<0.05)。同时试验组B组和C组肠道紧密连接蛋白Claudin-2基因表达水平与对照组相比显著上调(P<0.05),试验组B组紧密连接蛋白Claudin-2和ZO-1表达水平也显著高于对照组(P<0.05)。对肠道组织形态进行观察得知,试验组B组前肠和中肠的绒毛高度显著高于对照组和A组(P<0.05),前、中、后肠的肌层厚度也有显著上升趋势(P<0.05)。通过黄河鲤攻毒养殖试验发现,工程乳酸菌相比单独使用乳酸菌更能提高黄河鲤免疫性能、血清生化指标、肝脏抗氧化活性以及肠道健康水平,表明表达β-甘露聚糖酶的工程乳酸菌在黄河鲤的养殖过程中能起到菌酶协同益生作用,为菌酶协同在水产养殖中的应用提供新的思路,从而促进水产养殖业绿色健康发展。
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