枯草芽孢杆菌pckA影响四甲基吡嗪合成的研究

黄璐1,贡献1,2,佟硕秋1,吴拥军1*

1(贵州大学 生命科学学院,农业生物工程研究院,贵州 贵阳,550025) 2(山地植物资源保护与保护种质创新教育部重点实验室,贵州 贵阳,550025)

摘 要 四甲基吡嗪(tetramethylpyrazine, TTMP)是传统发酵食品中重要的香气化合物,具有调节心脏收缩、修复损伤肝肾等生理活性。为提高发酵豆豉的品质,该研究对枯草芽孢杆菌的TTMP代谢能力进行优化。基于已报道的TTMP合成途径,利用同源重组技术,在枯草芽孢杆菌BJ3-2中进行磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶基因(pckA)的缺失,并研究BJ3-2ΔpckA对发酵豆豉风味的影响。结果表明,敲除pckA不影响菌株的正常生长,在45 ℃发酵72 h,BJ3-2ΔpckA发酵的豆豉中TTMP含量比BJ3-2中增加23.71 %,酱香更浓郁,氨味明显降低,风味品质显著提升。研究结果首次发现pckA对TTMP合成有显著的调控作用,将为豆豉发酵品质的提升提供理论依据。

关键词 枯草芽孢杆菌;磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶;四甲基吡嗪;豆豉;基因敲除

四甲基吡嗪(tetramethylpyrazine,TTMP)是一种具有坚果和烘烤香气的活性风味化合物[1],对纳豆[2]、酱油[3]、陈醋[4]和白酒[5]等发酵食品有重要的香气贡献。其中,白酒中TTMP主要来源于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的代谢[6],枯草芽孢杆菌利用发酵原料中的葡萄糖经糖酵解途径生产丙酮酸,丙酮酸在α-乙酰乳酸合成酶的作用下生成α-乙酰乳酸,再经α-乙酰乳酸脱羧酶的作用,α-乙酰乳酸脱羧形成乙偶姻(acetoin,ACT),最终,发酵体系中的ACT和主要由氨基酸转化来的氨通过非酶促反应生成TTMP[6-7]。然而,在其他发酵食品中,利用枯草芽孢杆菌合成的TTMP研究少见报道,尤其是影响其合成的重要基因,缺乏系统的研究。

枯草芽孢杆菌是发酵食品中主要的微生物[8-9],在发酵过程中可产生多种水解酶,如蛋白酶、纤维素和淀粉酶,有助于碳水化合物的液化和糖化[10],促进发酵食品中风味化合物的形成[8,11]。同时,枯草芽孢杆菌菌株代谢生成TTMP的能力对发酵食品品质的提高有重要作用[12]。因此,针对枯草芽孢杆菌中TTMP合成途径中的重要基因进行研究,对提高发酵食品中TTMP含量具有重要意义。

本研究基于课题组前期基础,通过优良风味豆豉发酵菌株BJ3-2[13],在37 ℃和45 ℃培养条件下,对其进行转录组分析靶向磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶基因(pckA)[14]。在枯草芽孢杆菌的TTMP合成途径中,基因pckA主要负责将草酰乙酸催化生成磷酸烯醇式丙酮酸,在丙酮酸激酶的作用下生成丙酮酸[15],丙酮酸代谢生成TTMP[6],如图1所示。因此,为了探究PckA对枯草芽孢杆菌TTMP合成的影响,首先通过同源重组技术,构建pckA缺失菌株;然后,利用枯草芽孢杆菌BJ3-2及其pckA缺失菌株进行豆豉发酵;最后,通过感官评价和GC-MS检测分别对比pckA基因缺失前后发酵豆豉风味及TTMP含量的变化。系统研究枯草芽孢杆菌BJ3-2中pckA对TTMP合成和豆豉风味的影响,为提高豆豉品质提供新的理论基础。

图1 枯草芽孢杆菌中的四甲基吡嗪代谢途径
Fig.1 Metabolic pathway of TTMP in Bacillus subtilis

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌株与质粒

枯草芽孢杆菌BJ3-2为实验室保藏菌株[13];pHT01质粒[16],百奥迈科生物技术有限公司;大肠杆菌DH5α(Escherichia coli DH5α)和pUC18质粒,TaKaRa宝生物工程(大连)有限公司。

1.1.2 试剂与仪器

DNA限制性核酸内切酶(EcoR I、Sac I、BamH I、Pst I),TaKaRa宝生物工程(大连)有限公司;T4 DNA连接酶,New England Biolabs有限公司;StarScript Ⅱ第一链cDNA合成混合体系,GenStar公司;细菌RNA提取试剂盒、细菌DNA提取试剂盒、质粒提取试剂盒,OMEGA公司。

T100TMPCR仪、CFX96 Touch荧光定量PCR仪,美国Bio-Rad公司;BX53F-DP26生物显微镜,日本OLYMPUS;UV2100紫外可见分光光度计,尤尼柯仪器有限公司;HP6890/5975C气相-质谱联用仪,美国Agilent;pHS-3C酸度计,上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.1.3 培养基与缓冲液

LB液体培养基:蛋白胨1 g,NaCl 1 g,酵母粉0.5 g,溶于100 mL蒸馏水,pH值调至7.0(LB固体培养基,添加琼脂粉1.5 g)。

10倍最低盐溶液:KH2PO4 6 g,K2HPO4 14 g,(NH4)2SO4 2 g、柠檬酸钠1 g溶于100 mL蒸馏水,高压灭菌后添加0.05 mL 1 mol/L MgSO4

HS培养基:66.5 mL蒸馏水,2.5 mL 200 g/L葡萄糖,5 mL 100 g/L酵母粉,1 mL 20 g/L干酪素,10 mL 10×最低盐溶液,5 mL 1 g/L L-色氨酸,10 mL 80 g/L L-精氨酸和4 g/L L-组氨酸的混合液。

LS培养基:80 mL蒸馏水,2.5 mL 200 g/L葡萄糖,5 mL 20 g/L酵母粉,0.5 mL 20 g/L干酪素,10 mL 10倍最低盐溶液,0.5 mL 1 g/L L-色氨酸,0.05 mL 1 mol/L CaCl2,0.25 mL 1 mol/L MgCl2

1.1.4 引物

本研究所用的引物见表1。

表1 本研究所用的引物
Table 1 Primers used in this study

基因/DNA片段扩增序列引物序列(5′-3′)扩增片段大小/bppckA上游同源臂片段HLarm-FCGGAATTCGATATCAGCAGACTGCTCATHLarm-RCCCGAGCTCATGAAACCTTCCTTTATCGT817catcat-FCCCGAGCTCATAGTGACTGGCGATGCTcat-RCGCGGATCCTTAAGTTATTGGTATGACTGGTTT1 083pckA下游同源臂片段HRarm-FCGCGGATCCAAAGCAAAAGCCAAGAGCAATHRarm-RAACTGCAGGGCAATCGAAATGGGAAGGCAT713pckA定位基因片段TEST-FTTGGTCTACACCCATTGCGTEST-RGGCGGCTGTTTTGATTGTAG3 034pckAPpckA-FAAACAGACGGCACTCATTCCPpckA-RACCTTTTTCACCGACATTGG18216S rRNA16S-qFACTCCTACGGGAGGCAGCAG16S-qRATTACCGCGGCTGCTGG123

注:下划线为酶切位点

1.2 实验方法

1.2.1 实时荧光定量PCR (real-time quantitative PCR,RT-qPCR)

提取置于37 ℃和45 ℃培养的BJ3-2菌体总RNA,使用StarScript Ⅱ第一链cDNA合成预混试剂反转录合成cDNA。以cDNA为模板,16S rRNA为内参基因,分别以16S-qF/16S-qR和PpckA-F/PpckA-R为引物进行16S rRNA和pckA片段扩增,条件为95 ℃, 2 min;95 ℃, 15 s, 55 ℃, 30 s, 72 ℃, 30 s(40个循环),采用2-(ΔΔCt)(Livak)法计算基因相对表达量。上述所用引物见表1。

1.2.2 pckA敲除菌株的构建

以枯草芽孢杆菌BJ3-2基因组DNA为模板,用引物HLarm-F/HLarm-R扩增pckA上游同源臂片段,将pckA上游同源臂片段和pUC18质粒使用EcoR I/Sac I进行双酶切处理,两个酶切获得的产物用T4 DNA连接酶连接,得到pUC18-HLarm质粒;以pHT01质粒为模板,用引物cat-F/cat-R进行PCR扩增获得cat片段后,以Sac I/BamH I酶对cat片段和pUC18-HLarm质粒进行酶切酶连,得到pUC18-HLarm-cat质粒;以枯草芽孢杆菌BJ3-2基因组DNA为模板,使用引物HRarm-F/HRarm-R扩增pckA下游同源臂片段,对pckA下游同源臂片段和pUC18-HLarm-cat质粒进行BamH I/Pst Ⅰ双酶切处理,对酶切产物进行酶接,并转化至E.coli DH5α感受态细胞中,获得敲除载体pUC18-HLarm-cat-HRarm(图2),对敲除载体进行质粒双酶切和测序验证。在20 mL LS培养基中接种200 μL于HS培养基37 ℃过夜培养的BJ3-2,30 ℃, 135 r/min培养2 h,吸取1 mL菌液加入10 μL 0.1 mol/L 乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸[glycol-bis-(2-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid,EGTA],室温静置5 min后,加入约1 μg验证正确的重组质粒DNA,37 ℃,200 r/min培养2 h,将转化产物涂布于5 μg/mL氯霉素LB抗性平板上[17],挑取平板上转化子,使用引物TEST-F/cat-R、cat-F/TEST-R和TEST-F/TEST-R对其进行PCR和测序验证,阳性敲除菌株命名为BJ3-2ΔpckA。上述所用引物见表1。

图2 敲除载体pUC18-HLarm-cat-HRarm构建流程
Fig.2 The construction procedure of konckout vector pUC18-HLarm-cat-HRarm

1.2.3 发酵豆豉

将BJ3-2和BJ3-2ΔpckA接种于5 mL LB液体培养基中,37 ℃,180 r/min过夜培养。室温浸泡12 h的大豆于121 ℃灭菌20 min。分别吸取BJ3-2和BJ3-2ΔpckA菌液(1%,mL∶g)接种至80 g大豆中,置于45 ℃发酵72 h。对发酵的豆豉进行10人小组的感官评价[14]

1.2.4 菌株形态观察及生长曲线测定

将BJ3-2和BJ3-2ΔpckA菌株进行平板划线,37 ℃过夜培养后进行单菌落观察和显微镜观察。分别吸取1 mL过夜培养的BJ3-2和BJ3-2ΔpckA菌液,加入装有99 mL LB液体培养基的锥形瓶中,充分混匀后分装至20只试管中,于45 ℃、180 r/min培养40 h,培养期间每隔2 h测定两种菌液600 nm处吸光值。以未接种细菌的LB液体培养基作为对照,绘制生长曲线。

1.2.5 发酵豆豉pH测定

发酵豆豉样品前处理参照文献[14]方法,取10 g豆豉于50 mL超纯水中充分混匀,使用pH计对混合液进行测定,每24 h进行1次取样。

1.2.6 GC-MS检测

运用顶空固相微萃取装置联合GC-MS对发酵的豆豉进行挥发性风味物质检测[18]。称取混匀的豆豉样品3 g,置于50 mL采样瓶中,插入萃取头(2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS),在45 ℃顶空萃取55 min后移出萃取头,立即插入GC进样口(250 ℃)中,热解析5 min后进样。色谱柱为HP-5MS(60 m×0.25 mm×0.25 μm),柱温40 ℃(停留2 min),以3.5 ℃/min的升温至228 ℃,运行52 min,载气为高纯He(99.999%),气流量1.0 mL/min,不分流进样。离子源为EI源,质量范围29~500 amu。对总离子流图中的各质谱峰采用Nist普库检索,同时采用正构烷烃(C7~C30)计算保留指数鉴定。用峰面积归一化法测定了各化学成分的相对质量分数,相同条件下每个样品各进样3次。

2 结果与分析

2.1 转录水平变化

课题组前期采用BJ3-2在37 ℃和45 ℃分别进行豆豉发酵,发现两个温度下豆豉的风味存在明显差异,在45 ℃下酱香风味显著比37 ℃下更浓郁[14]。因此,分别进行了37 ℃和45 ℃条件培养BJ3-2菌体的转录组测序,经数据分析发现pckA的相对表达量在45 ℃比37 ℃下调了3.91倍(log2FC)[14]。同时,采用RT-qPCR检测分别置于37 ℃和45 ℃培养的BJ3-2菌株中pckA表达量,结果如图3所示,BJ3-2中pckA基因在45 ℃转录水平降低,与转录组测序趋势一致;相对表达量为37 ℃的0.83倍。由于,pckA位于枯草芽孢杆菌TTMP合成途径中,且其转录水平显著降低的菌株风味提升明显。因此,为进一步验证pckA对豆豉风味的影响,本研究将pckA敲除,验证BJ3-2在45 ℃发酵豆豉中TTMP含量。

图3 BJ3-2中pckA的RT-qPCR分析
Fig.3 RT-qPCR analysis of pckA in BJ3-2 注:***分别表示P<0.05和P<0.01水平的差异显著性(下同)

2.2 pckA敲除菌株验证

对构建的重组质粒分别进行EcoR I/BamH I和BamH I/Pst I双酶切,获得与预期结果相符的3 399 bp/1 900 bp和4 586 bp/713 bp双条带(图4-a);同时测序结果也与预期一致,表明敲除载体构建成功。将敲除载体转化至BJ3-2后,对敲除菌株进行菌落PCR验证,引物TEST-F/cat-R、cat-F/TEST-R和TEST-F/TEST-R扩增出与预期相符的目的条带1 919、2 198、3 034 bp。挑取经菌落PCR验证为阳性交换的突变菌株使用氯霉素抗性平板进行划线传代培养(传至12代),在使用相同的引物对进行基因组DNA PCR验证,均获得相应的目的条带(图4-b),且测序结果表明,突变菌株中的pckA已成功被敲除载体上的cat替换,表明突变菌株BJ3-2ΔpckA构建成功。

a-双酶切(M:DL5000 marker;1~2:EcoR I/BamH I;3~4:BamH I/Pst I) b-基因组DNA PCR验证(M:DL5000 marker;1~2:pckA上游定位 基因片段;3~4:pckA下游定位基因片段;5~6:pckA定位基因片段) 1、3、5:BJ3-2ΔpckA;2、4、6:BJ3-2
图4 DNA核酸电泳图
Fig.4 Agarose gel electrophoresis of DNA

2.3 发酵豆豉的感官评价

为研究pckA敲除前后菌株发酵豆豉风味变化,分别对45 ℃下BJ3-2和BJ3-2ΔpckA发酵豆豉的颜色、黏性和质地变化进行观察。如图5所示,相比于BJ3-2,BJ3-2ΔpckA发酵的豆豉颜色更深、豆豉间黏丝增加,质地变化不明显。

a-BJ3-2;b-BJ3-2ΔpckA
图5 发酵豆豉外观形态图
Fig.5 Appearance diagram of fermented Douchi

结合感官评价(表2),发现BJ3-2ΔpckA发酵的豆豉酱香更浓郁,氨味也有明显降低,表明敲除pckA有助于提高枯草芽孢杆菌BJ3-2发酵豆豉的风味。

2.4 敲除菌株生长特性

为研究敲除pckA对BJ-2生长能力的影响,对BJ3-2ΔpckA与BJ3-2进行菌落形态观察(图6)。结果显示,BJ3-2ΔpckA呈现革兰氏阳性短杆状,在平板上形状不规则、菌落中心呈同心环状隆起、不透明、表面干燥及菌体微黏稠等,所有特征均与BJ3-2一致,无显著差异。

表2 感官评价结果
Table 2 The results of sensory evaluation

参数分数BJ3-2BJ3-2ΔpckA评分标准颜色911棕褐色(8~15)、深黄褐色或淡黄褐色(5~7)、深棕色(1~4)黏性 713很黏(8~15)、中等(5~7)、不黏(1~4)质地1718中等硬度(15~20),略硬或略软(10~14),非常硬或非常柔软(1~9)氨味1722轻(16~25)、中(11~15)、重(1~10)酱香味1723浓郁(16~25),中等(11~15),轻(1~10)总分6787

a-BJ3-2革兰氏染色;b-BJ3-2ΔpckA革兰氏染色; c-BJ3-2平板菌落形态;d-BJ3-2ΔpckA平板菌落形态
图6 菌落形态
Fig.6 Colony morphology of Bacillus subtilis

此外,两株菌生长曲线测定(图7)结果显示,两株菌在同一时间的OD600值差异不显著(P>0.05),表明敲除pckA不会影响BJ3-2正常生长。由此可知BJ3-2ΔpckA与BJ3-2发酵豆豉风味变化,并不是由于敲除pckA影响菌株正常生长而导致的。

图7 生长曲线
Fig.7 Growth curve

2.5 发酵豆豉pH测定

BJ3-2和BJ3-2ΔpckA发酵豆豉的pH总体均随发酵时间增加不断升高,从24 h起pH每24 h增加5%~7%。如图8所示,BJ3-2ΔpckA发酵豆豉过程中pH一直高于BJ3-2,且均具有显著性差异。

2.6 GC-MS检测

基于前期对与TTMP合成相关的pckA进行分析,构建了pckA缺失菌株,发现pckA敲除前后菌株发酵的豆豉风味存在差异。因此,通过GC-MS对pckA敲除前后菌株发酵的豆豉中TTMP及前体物质ACT进行检测,检查结果显示,与BJ3-2对比,BJ3-2ΔpckA发酵的豆豉中ACT降低10.41%,而TTMP增加23.71%,表明敲除pckA有助于枯草芽孢杆菌合成TTMP(图9)。

图8 发酵豆豉过程中pH值的变化
Fig.8 Changes of pH during fermentation of Douchi

图9 豆豉中ACT和TTMP相对含量
Fig.9 Relative content of ACT and TTMP in Douchi

3 结论与讨论

枯草芽孢杆菌发酵过程中TTMP的代谢能力影响发酵食品的风味品质,对TTMP代谢途径中关键基因的表达优化是提高TTMP合成的有效手段[19-20]。本研究以具有优良发酵风味的豆豉发酵菌株BJ3-2为出发菌株,靶向TTMP合成途径中的pckA,首次发现缺失pckA使BJ3-2ΔpckA发酵豆豉中ACT的含量降低10.41%,而TTMP含量增加23.71%,豆豉品质和风味显著提升。

在TTMP合成途径中,ACT作为TTMP前体,其与氨通过非酶促反应生成TTMP[6-7],因此,TTMP的含量受ACT和氨的影响。然而,ACT生物合成途径是枯草芽孢杆菌中的一种能量贮存过程[21],在菌株发酵后期,当胞内葡萄糖耗尽时,ACT将被利用于产能[22],可能造成BJ3-2ΔpckA发酵豆豉后期ACT的含量下降。其次,敲除pckA使细胞糖酵解途径中丙酮酸的生成受到影响,从而激活丙酮酸回补途径,例如丙氨酸等生糖氨基酸会通过脱氨基作用生成丙酮酸和氨,氨含量的增加有利于TTMP合成。最后,枯草芽孢杆菌TTMP的合成受pH的影响,当pH值为6.5~7.5 时,TTMP产量随着pH值的升高而提高[23]。菌株BJ3-2和BJ3-2ΔpckA发酵豆豉时,pH值在6~7.5呈上升的趋势,同时,BJ3-2ΔpckA的发酵pH显著高于BJ3-2。因此,BJ3-2ΔpckA的发酵条件更利于TTMP合成。

本研究中敲除pckA使豆豉中TTMP含量有一定程度的提升。然而,TTMP代谢途径中还有基因可以结合组学手段进行进一步的挖掘。同时,枯草芽孢杆菌TTMP的调控不仅受到代谢途径中相关代谢产物、相关酶的调控,还受到发酵环境因素的影响,对这些影响因素的进一步研究,将为枯草芽孢杆菌发酵产品品质的提升提供方向。

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Effects of Bacillus subtilis pckA on the synthesis of tetramethylpyrazine

HUANG Lu1,GONG Xian1,2,TONG Shuoqiu1,WU Yongjun1*

1(College of Life Sciences, Institute of Agro-bioengineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China) 2(Key laboratory of Plant Resource Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region (Ministry of Education), Guiyang 550025, China)

ABSTRACT Tetramethylpyrazine (TTMP) is an important aroma compound in traditional fermented foods, and has physiological activities such as regulating cardiac contraction, repairing damaged liver and kidney.To improve the quality of fermented Douchi, this study optimized the TTMP metabolism capacity of Bacillus subtilis.Based on the reported TTMP synthesis pathway, phosphoenolpyruvate carboxykinase gene (pckA) was deleted in B.subtilis BJ3-2 via homologous recombination technology to study the effect of BJ3-2ΔpckA on the flavor of fermented Douchi.The results showed that knocking out pckA did not affect the growth of B.subtilis.Compared to B.subtilis BJ3-2, the content of TTMP was increased 23.71% at 45 ℃ for 72 h by BJ3-2ΔpckA, and the fermented Douchi was characterized by fragrant soy sauce flavor, little off ammonia flavor, and high-quality flavor.It is the first time found that pckA has a significantly regulating effect on TTMP synthesis, which will provide a theoretical basis for the improvement of the fermentation quality of Douchi.

Key words Bacillus subtilis; phosphoenolpyruvate carboxykinase; tetramethylpyrazine; Douchi; gene knockout

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.033242

引用格式:黄璐,贡献,佟硕秋,等.枯草芽孢杆菌pckA影响四甲基吡嗪合成的研究[J].食品与发酵工业,2023,49(12):47-53.HUANG Lu,GONG Xian,TONG Shuoqiu, et al.Effects of Bacillus subtilis pckA on the synthesis of tetramethylpyrazine[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(12):47-53.

第一作者:硕士研究生(吴拥军教授为通信作者,E-mail:wyjbio@163.com)

基金项目:国家自然科学基金(32060585/C200902)

收稿日期:2022-08-08,改回日期:2022-09-05