天麻高抗氧化活性内生菌选育及体内外抗氧化活性研究

赵文萱1*,王婕2,鞠志刚1

1(贵州中医药大学 药学院,贵州 贵阳,550025)2(贵州中医药大学 时珍学院 医药学部,贵州 贵阳,550200)

摘 要 基于天麻的高抗氧化活性,其内生菌可能协同产生活性物质,为挖掘其内生菌的抗氧化潜力,首先分离天麻块茎内生菌,进行体外抗氧化活性分析,从而筛选具有高抗氧化活性的内生菌,然后进行形态学与18S rDNA序列鉴定,并通过常压室温等离子体(atmospheric room temperature plasma,ARTP)诱变选育、发酵条件优化进一步提高其抗氧化活性,最后构建小鼠D-半乳糖(D-galactose,D-gal)模型验证其体内抗氧化活性。研究结果显示,从天麻块茎中共分离得到28株内生菌,经总酚、总黄酮含量测定及羟自由基(·OH)、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率计算,筛选出1株具有高抗氧化活性的内生菌株(5号),鉴定为密孔菌(Pycnoporus sp.);通过ARTP诱变选育获得1株稳定遗传的高抗氧化活性突变株M7,并对其发酵条件进行优化,确定最佳碳源为葡萄糖、氮源为蛋白胨、pH 7.5、转速90 r/min;体内抗氧化活性实验结果显示,M7发酵液可显著提高D-gal诱导的氧化应激模型小鼠血清中的谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶活力,降低丙二醛含量,并逆转该模型小鼠的肝脏、肾脏、大脑及心脏指数异常。综上,天麻内生密孔菌突变株M7显现出良好的体内外抗氧化活性,可作为天然抗氧化剂候选资源,为功能性食品开发提供实验基础。

关键词 天麻;内生菌;小鼠模型;抗氧化活性

天麻是兰科植物天麻(Gastrodia elata Bl.)的块茎,为药食两用植物,富含酚类、黄酮类、多糖类、甾醇类、有机酸、萜类、微量元素等活性成分[1],因其保健价值显著,所以在食品及医药领域备受青睐。

近年来多项研究表明天麻及其提取物具有优异的抗氧化活性[2-3],但关于天麻内生菌抗氧化活性研究的报道较少。植物内生菌是一类寄生于宿主植物细胞间隙、组织和器官内,不会引起宿主排斥反应、对宿主本身无危害的微生物[4],且内生菌与宿主植物在共生过程中形成了一种互利互惠的关系,能产生与宿主相同或相似的代谢产物[5]

因此,从天麻中分离纯化出具有高抗氧化活性的内生菌,对于天麻抗氧化活性的进一步研究、开发及利用意义重大。同时,现有研究多聚焦于天麻块茎活性成分的提取与体外抗氧化分析[6-7],而对其内生菌这一“潜在活性物质代谢库”的挖掘,以及内生菌抗氧化活性的体外及体内验证,均处于探索阶段。

基于此,本研究以天麻块茎为材料,首先分离天麻内生菌,测定其发酵液主要抗氧化活性成分,并分析体外抗氧化活性,从而筛选出具有高抗氧化活性的天麻内生菌株;然后对其进行形态学分析及生物学鉴定,明确菌株的种属地位;为进一步提升天麻内生菌发酵液的抗氧化活性,采用常压室温等离子体(atmospheric room temperature plasma,ARTP)技术,对其进行诱变选育,并对突变株发酵培养条件进行优化;最后,通过小鼠体内实验,验证本研究选育的天麻高抗氧化活性内生菌发酵液的体内抗氧化活性;期望为天麻及其内生菌在抗氧化活性方面的深层次开发及利用提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 实验材料

天麻(Gastrodia elata Bl.f.elata),贵州黔龙天麻开发有限公司;SPF级小鼠,贵州中医药大学实验动物中心(实验动物生产许可证号SCXK(黔)2021-0003、实验动物使用许可证号SYXK(黔)2021-0005、实验动物伦理审查编号20220175)。

1.1.2 主要试剂

FeSO4·7H2O、H2O2、芦丁、没食子酸、Folin-酚,国药集团化学试剂有限公司;DPPH、ABTS,阿拉丁试剂有限公司;谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)测定试剂盒,上海信裕生物科技有限公司;其他常用化学试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器设备

Bio-rad Model 680酶标仪,美国伯乐公司;ARTP-P常压室温等离子体(atmospheric room temperature plasma,ARTP)诱变育种仪,无锡源清天木生物科技有限公司;HH-4电子恒温水浴锅,常州市亿能实验仪器厂;H1650R台式高速离心机,湘仪离心机仪器有限公司;FA3204电子天平,三丰精密量仪有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 天麻内生菌的分离

挑选优质天麻,冲洗、干燥(晾干表面水分),体积分数75%乙醇溶液浸泡5 min,超纯水冲洗3次后(最后1次洗涤超纯水为无菌对照),无菌滤纸片吸干水分,将组织材料用手术刀切成长、宽约0.2 cm的小块,置于PDA及LB平板培养基上,分别于30 ℃与38 ℃的恒温培养箱中培养2~7 d,待长出菌落后,进行划线培养,重复数次,分离单菌落[8]

1.3.2 天麻内生菌发酵液主要抗氧化活性成分检测

将单菌落接种于发酵培养基(g/L)(葡萄糖20、酵母粉10,KH2PO4 3、复合维生素B 0.3,初始pH 7.0),转速100 r/min,以OD600监测菌株生长状态(12 h/次),根据菌株生长速率,培养2~7 d后,待菌株进入稳定期,收集天麻内生菌发酵液(3 000 r/min离心5 min,吸取上清液)。

发酵液总酚含量测定参照李刚凤等[9]的方法,以没食子酸为标准品,采用分光光度法在700 nm下测定吸光度并绘制标准曲线,线性方程为y=0.400 3x-0.006(R2=0.997 1)。发酵液总黄酮含量测定参照谭云等[10]的方法,以芦丁为标准品,在510 nm下测量吸光度并绘制标准曲线,线性方程为y=1.166 3x+0.021 3(R2=0.9975)。

1.3.3 天麻内生菌发酵液抗氧化活性分析

天麻内生菌发酵液羟自由基(·OH)清除率计算参照廖霞等[11]的方法;DPPH自由基清除率计算参照KUMAR等[12]的方法;ABTS阳离子自由基清除率计算参照杨红等[13]的方法;以1 mg/mL维生素C为对照,通过体外抗氧化活性分析,筛选具有高抗氧化活性的天麻内生菌。

1.3.4 高抗氧化活性内生菌形态学与生物学鉴定

首先,观察天麻高抗氧化活性内生菌落生长形态、颜色等,并采用显微镜观察菌丝特征,进行初步分类;然后提取菌株基因组DNA,采用真菌18S rDNA序列通用引物(NS1与NS6)扩增其特异序列,测序后与GenBank中的已知序列进行比对,继而确定菌株的种属[14]

1.3.5 高抗氧化活性内生菌ARTP诱变选育

为进一步提高天麻高抗氧化活性内生菌的抗氧化活性,采用ARTP技术进行诱变选育。首先洗脱天麻高抗氧化活性内生菌株孢子并稀释,ARTP辐照20~200 s后,涂布在PDA平板培养基上,通过考察未经辐照以及经不同时间辐照之后的菌株总菌落数,计算致死率;通过考察不同时间辐照之后的菌株的总菌落数及正向突变菌落数,计算正突变率;再综合考量致死率与正向突变率,从而确定最佳诱变时间[15]。以未经诱变的野生型为对照,根据发酵液·OH、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率,筛选抗氧化活性提高的正向突变株。

1.3.6 高抗氧化活性突变菌株遗传稳定性分析与生长曲线绘制

挑选抗氧化活性最高的正向突变菌株,传代10次,分别测定·OH、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率,从而进行遗传稳定性分析;同时将天麻高抗氧化活性内生菌的野生型菌株与突变株接种于PDA培养基中,每天测量菌丝干重,绘制生长曲线[16]

1.3.7 高抗氧化活性突变菌株发酵条件优化

根据发酵液·OH、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率,优化天麻高抗氧化活性内生菌突变株发酵培养基的碳源(葡萄糖、木糖、麦芽糖、果糖、淀粉)、氮源(酵母粉、牛肉膏、蛋白胨、尿素、硝酸铵)、pH(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)及发酵培养转速(80、90、100、110、120 r/min)[17],筛选最佳发酵条件,从而进一步提升菌株的抗氧化活性。

1.3.8 高抗氧化活性突变菌株发酵液的体内抗氧化活性分析

受试小鼠分组及D-gal模型构建:参考袁蜜等[18]的方法,选取6~8周龄雄性昆明小鼠60只,适应性饲养7 d后,随机分为空白组(BC)、模型组(D-gal)、天麻高抗氧化活性内生菌突变株发酵液低(G-L)、中(G-M)、高(G-H)剂量组及阳性对照组(维生素C),每组10只。BC组每日腹腔注射等量的生理盐水,其余各组小鼠每日腹腔注射D-gal[300 mg/(kg·d),质量浓度100 mg/mL],持续28 d,构建小鼠D-gal模型。

受试小鼠灌胃给药:从第2天开始,各组小鼠进行腹腔注射D-gal(BC组除外)的同时,开始灌胃治疗,根据小鼠灌胃最大给药剂量,灌胃体积均统一为40 mL/(kg·d)。G-H组发酵液的给药剂量为40 mL/(kg·d);G-M组发酵液的给药剂量为20 mL/kg/d,G-L组为10 mL/(kg·d),剩余体积用纯净水补齐;维生素C组灌胃维生素C 100 mg/(kg·d)(纯净水溶解并定容至40 mL/(kg·d)),BC组与D-gal模型组灌胃纯净水(40 mL/(kg·d)),持续至第56天。

受试小鼠体内抗氧化活性分析:实验周期内,每天观察各组小鼠的基本情况,每7 d称量1次,末次给药后,禁食不禁水2 h,称重后麻醉,进行心脏采血,对小鼠血清GSH-Px活力、SOD活力、MDA含量进行测定[19],分析天麻高抗氧化活性内生菌突变株发酵液的体内抗氧化活性。

1.3.9 受试小鼠主要脏器指数计算

实验周期结束后,受试小鼠深度麻醉处死后,分离肝脏、肾脏、大脑、脾脏、心脏,按照公式(1)计算脏器指数[20]:

脏器指数/%=(脏器湿质量/小鼠体质量)×100

(1)

1.4 数据处理

所有实验均重复3次,用“平均值±标准偏差”表示。数据处理采用SPSS Statistics 22软件,通过单因素方差分析和Duncan多重检验确定显著性差异(P<0.05)。采用Origin 2024软件进行图片绘制。

2 结果与分析

2.1 天麻内生菌的分离及高抗氧化活性内生菌初筛

将天麻块茎小块组织材料置于PDA与LB平板培养基上,分别于30 ℃与38 ℃的恒温培养箱中培养2~7 d后,划线培养,重复数次,共分离到28株生长形态不同的单菌落,结合显微镜观察综合判定,1~19号菌株为真菌,20~28号菌株为细菌。将单菌落接种于发酵培养基,根据菌株生长速率,培养2~7 d后收集发酵液,分别测定发酵液中总酚含量(图1-a)及总黄酮含量(图1-b),实验结果表明,5号及17号天麻内生菌发酵液中抗氧化活性物质含量较高,其中5号菌株发酵液中总酚质量浓度为180.34 μg/mL,总黄酮质量浓度为72.37 μg/mL,17号菌株发酵液中总酚质量浓度为131.48 μg/mL,总黄酮质量浓度为91.35 μg/mL,通过初步筛选,判定5号菌株与17号菌株可能是具有高抗氧化活性的天麻内生菌。

a-总酚质量浓度;b-总黄酮质量浓度

图1 天麻内生菌发酵液主要抗氧化活性成分含量测定
Fig.1 Determination of contents of main antioxidant active components in fermentation broth of G. elata endophytes

2.2 天麻高抗氧化活性内生菌复筛

为综合考量天麻内生菌抗氧化活性,进一步检测了内生菌发酵液·OH、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率(图2),从而筛选具有高抗氧化活性的内生菌。研究结果表明5号菌株抗氧化活性最高,·OH清除率为62.49%,DPPH自由基清除率为62.37%,ABTS阳离子自由基清除率为71.26%。通过天麻内生菌分离,菌株发酵液主要抗氧化活性物质分析初步筛选及发酵液抗氧化活性分析复筛,本研究筛选获得一株抗氧化活性较强的5号菌株。

2.3 天麻高抗氧化活性内生菌形态学与生物学鉴定

将筛选到的天麻高抗氧化活性内生菌5号菌株接种于PDA培养基上,30 ℃培养5 d后,菌落直径可达38 mm,菌落近圆形,由蓬松毛絮状多层菌丝组成,外周呈现米白色,中心为淡橙色(图3-a);在100×油镜下观察,菌丝呈细长管状,交织成网状,有隔菌丝(图3-b)。提取菌株的基因组DNA,采用真菌18S rDNA序列通用引物扩增后测序(见电子版增强出版附图1,https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044744),将测序结果用BLAST进行比对,结果显示与GenBank中Pycnoporus属模式菌株相似度达到99%以上,初步判定该菌株为密孔菌。然后基于18S rDNA序列,采用邻接法,构建系统发育树(图3-c),进一步支持其属于密孔菌属,bootstrap支持率达99%。

a-·OH清除率;b-DPPH自由基清除率;c-ABTS阳离子自由基清除率

图2 天麻内生菌发酵液体外抗氧化活性分析
Fig.2 Analysis of in vitro antioxidant activity of fermentation broth from G. elata endophytes

a-菌落生长状态;b-菌丝生长形态(100×油镜);c-系统发育树

图3 天麻高抗氧化活性内生菌鉴定
Fig.3 Identification of endophytes with high antioxidant activity from G. elata

2.4 天麻高抗氧化活性内生菌株ARTP诱变选育

为进一步提高密孔菌抗氧化活性,采用ARTP诱变技术对其进行诱变育种。洗脱密孔菌菌株孢子并稀释,采用ARTP诱变仪辐照后,计算菌株致死率及正向突变率,研究发现,在辐照时间为150 s时,正向突变率最高,且致死率相对较低,因此确定最佳诱变时间为150 s(图4-a)。以未经诱变的野生型密孔菌为对照,本研究共获得22株发酵液·OH清除率、DPPH自由基清除率、ABTS阳离子自由基清除率均提高的正向突变株,其中M7号突变株和M21号突变株显现出抗氧化活性的优势(图4-b~图4-d),其中M7号突变株·OH清除率为74.21%、DPPH自由基清除率为76.37%、ABTS阳离子自由基清除率为79.22%(分别较野生型菌株提高18.76%、22.45%、11.17%),M21号突变株·OH清除率为69.36%、DPPH自由基清除率为77.28%、ABTS阳离子自由基清除率为79.88%(分别较野生型菌株提高10.99%、23.91%、12.10%)。

2.5 高抗氧化活性突变菌株遗传稳定性分析及生长曲线绘制

为确保天麻高抗氧化活性内生菌突变株具有良好的遗传稳定性,对正向突变菌株M7及M21进行遗传稳定性分析,结果表明M7具有良好的遗传稳定性(图5-a),传10代后,·OH清除率为74.28%,DPPH自由基清除率为76.78%,ABTS阳离子自由基清除率为79.1%;而M21传10代后,·OH清除率、DPPH自由基清除率、ABTS阳离子自由基清除率仅为第1代的91.22%、84.67%、89.31%,自由基清除率呈现下降趋势,因此本研究最后选取M7作为后续研究的对象。并绘制了野生型密孔菌与M7的生长曲线,实验结果表明,野生型菌株生长对数期为3~9 d,在第9天,达到最大菌丝干重7.69 g/L,自第10天,菌丝干重逐渐下降;M7生长对数期为3~8 d,在第8天,达到最大菌丝干重,为7.7 g/L,然后逐渐进入衰退期(图5-b),实验结果显示,M7的生长速度较野生型稍快,但最大菌丝干重无明显差异(P>0.05),分析其原因可能为诱变的随机性,导致诱变过程中调控生长速率的基因发生了突变。

a-密孔菌ARTP诱变突变率与致死率曲线;b-正向突变株·OH清除率;c-正向突变株DPPH自由基清除率;d-正向突变株ABTS阳离子自由基清除率

图4 天麻高抗氧化活性内生菌ARTP诱变选育
Fig.4 ARTP mutagenesis and breeding of endophytes with high antioxidant activity from G. elata

a-优势正向突变株遗传稳定性分析;b-密孔菌野生型菌株及M7生长曲线

图5 天麻高抗氧化活性突变菌株遗传稳定性分析及生长曲线绘制
Fig.5 Analysis of genetic stability and growth curve determination of mutant strain with high antioxidant activity from G. elata

2.6 高抗氧化活性突变株M7发酵条件优化

根据发酵液·OH、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率优化M7发酵培养基碳源(葡萄糖、木糖、麦芽糖、果糖、淀粉)、氮源(酵母粉、牛肉膏、蛋白胨、尿素、硝酸铵)、pH(6.0、6.5、7.0、7.5、8.0)及转速(80、90、100、110、120 r/min),从而进一步提升菌株发酵液的抗氧化活性。通过抗氧化活性分析得知,最佳碳源为葡萄糖,其·OH清除率为74.21%、DPPH自由基清除率为76.87%、ABTS阳离子自由基清除率为78.97%;最佳氮源为蛋白胨,·OH清除率为76.28%,DPPH自由基清除率为77.81%,ABTS阳离子自由基清除率为80.31%;最佳pH 7.5,·OH清除率为79.36%、DPPH自由基清除率为80.28%、ABTS阳离子自由基清除率为81.21%;转速为90 r/min时,·OH清除率为79.01%、DPPH自由基清除率为87.38%、ABTS阳离子自由基清除率为82.22%,虽然·OH清除率较100 r/min时的79.36%降低了0.44%,但DPPH自由基清除率提高了8.84%、ABTS阳离子自由基清除率提高了1.24%,且90 r/min较100 r/min能耗更低。因此,本研究最终获得M7的最佳发酵条件为最佳碳源葡萄糖、最佳氮源蛋白胨,pH 7.5,转速90 r/min。

a-碳源优化;b-氮源优化;c-pH优化;d-转速优化

图6 天麻高抗氧化活性内生菌密孔菌M7号突变株发酵条件优化
Fig.6 Optimization of fermentation conditions for Pycnoporus sp. M7 mutant strain of an endophyte with high antioxidant activity from G. elata

2.7 高抗氧化活性突变株M7发酵液的体内抗氧化活性分析

实验周期内,受试小鼠每7 d称量体质量1次,实验结果表明,D-gal模型小鼠较BC组体质量显著增长(P<0.05),至第28天,体质量增长区间为13.19%~17.21%(图7-a),分析其原因可能是长期注射D-gal导致小鼠体内葡萄糖代谢异常,进而引发胰岛素抵抗,成为体质量增加的关键诱因;灌胃给药M7发酵液及维生素C后,第35~56天体质量缓慢下降,且第56天各组小鼠体质量均具有差异显著性(P<0.05),但密孔菌发酵液及维生素C并未见报道有直接减肥功效,综合分析,其原因可能为抗氧化活性物质能清除体内氧化应激产物,从而改善胰岛素敏感性,让血糖更易被利用、减少脂肪合成。本研究继而对M7发酵液体内抗氧化活性进行了验证,对受试小鼠血清主要抗氧化指标GSH-Px、SOD、MDA含量进行了测定,从图7中可以看出,与BC组相比,D-gal组小鼠血清中GSH-Px(71.03 U/mL)、SOD(80.01 U/mL)的活力显著降低(P<0.05),而MDA(5.80 nmol/mL)的含量则显著升高(P<0.05)。M7发酵液及维生素C干预后,GSH-Px、SOD的活力显著升高(P<0.05),MDA含量显著降低(P<0.05),虽然研究结果表明,M7发酵液(G-L、G-M、G-H)对小鼠血清GSH-Px、SOD、MDA有显著调控效果,但相较于维生素C组,差异仍然显著(P<0.05),但本研究中筛选出的天麻高抗氧化活性内生菌密孔菌M7号突变株发酵液仍然显现出良好的抗氧化性,可以通过调控体内抗氧化酶活力抑制氧化应激,具有进一步研究与开发的价值。

2.8 受试小鼠主要脏器指数计算

实验周期结束后,分离受试小鼠主要脏器,并计算脏器指数,从而考察M7发酵液对受试小鼠主要脏器指数的影响(表1)。从表1可以看出,与BC组小鼠相比,D-gal模型小鼠肾脏指数显著升高,而肝脏、大脑、脾脏、心脏指数显著降低(P<0.05)。与D-gal模型小鼠相较,G-L组、G-M组、G-H组及维生素C组肝脏指数显著升高(P<0.05),G-M组、G-H组及维生素C组肾脏指数显著降低同时大脑指数显著升高(P<0.05),只有G-H组小鼠心脏指数显著升高(P<0.05),但G-L组、G-M组、G-H组及维生素C组脾脏指数与BC组及D-gal组差异均不显著。实验结果表明,M7发酵液(G-H组)对D-gal小鼠肝脏、肾脏、大脑及心脏指数具有调控作用,能够逆转D-gal诱导的肝脏、肾脏、大脑及心脏指数异常,再一次印证了天麻内生菌密孔菌突变株M7发酵液具有调节D-gal小鼠体内氧化应激状态的功效。

a-体质量检测;b-血清GSH-Px活力;c-血清SOD活力;d-血清MDA含量

图7 受试小鼠体质量监测与高抗氧化活性突变菌株M7发酵液的体内抗氧化活性分析
Fig.7 Body weight monitoring of tested mice and analysis of in vivo antioxidant activity of fermentation broth from mutant strain M7 with high antioxidant activity

注:图中不同小写字母表示组间差异显著,P<0.05。

表1 高抗氧化活性突变菌株M7发酵液对氧化应激小鼠主要脏器指数的影响(n=10) 单位:%

Table 1 Effect of fermentation broth from mutant strain M7 with high antioxidant activity on main organ indices of mice with oxidative stress(n=10)

组别肝脏指数肾脏指数大脑指数脾脏指数心脏指数BC4.27±0.040.53±0.031.82±0.020.34±0.020.56±0.01 D-gal3.22±0.02∗0.72±0.01∗1.27±0.03∗0.26±0.02∗0.40±0.02∗G-L3.46±0.01∗#0.69±0.02∗1.31±0.01∗0.28±0.010.41±0.03∗G-M3.68±0.02∗#0.62±0.02∗#1.46±0.02∗#0.28±0.030.43±0.01∗G-H3.89±0.02∗#0.65±0.01∗#1.58±0.02∗#0.31±0.020.46±0.02∗#维生素C4.02±0.01∗#0.62±0.02∗#1.69±0.01∗#0.30±0.030.45±0.03∗

注:*表示与BC组相较差异显著,P<0.05;#表示与D-gal组相较差异显著,P<0.05。

3 结论与讨论

本研究以天麻块茎为材料,成功分离得到28株内生菌,与孙海燕等[21]从秦巴地区鲜天麻中分离纯化到4株内生菌相较,本研究中分离到的内生菌种类和数量明显增多,这种差异可能与分离培养基类型及培养条件密切相关,本研究中PDA培养基与LB培养基组合使用,并兼顾了真菌与细菌类内生菌的生长周期和培养温度的不同,而孙海燕等[21]的研究仅采用LB培养基,可能导致对部分真菌类内生菌的分离存在局限性。经总酚、总黄酮含量测定初筛及·OH、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除率测定复筛,筛选出1株高抗氧化活性天麻内生菌株(5号),结合形态学特征与18S rDNA序列比对,鉴定该菌株为密孔菌,鲁铁等[22]进行了血红密孔菌菌丝体多糖提取条件优化及活性研究,实验结果表明,血红密孔菌菌丝体多糖兼具良好的抗氧化活性和抑菌能力。本研究结果与其研究结果相互印证,进一步证实了密孔菌属具备开发为高活性天然抗氧化功能资源的潜力。

为进一步提高天麻内生菌密孔菌的抗氧化活性,采用ARTP技术对密孔菌进行诱变选育,并确定最佳辐照时间为150 s,最终获得1株稳定遗传的高抗氧化活性突变株M7,为进一步提升M7的抗氧化活性,继而优化了发酵条件,确定最佳碳源为葡萄糖、氮源为蛋白胨、初始pH 7.5、转速90 r/min,此条件下,M7发酵液的·OH清除率达79.01%、DPPH自由基清除率达87.38%、ABTS阳离子自由基清除率达82.22%;孙海燕等[21]分离到的天麻内生菌B1对DPPH自由基的清除率最高为69.31%,本研究中的DPPH自由基清除率显著提高(P<0.05),具有明显优势;刘思婷等[23]测定了市售6种天麻饮片的DPPH自由基清除率,结果显示其清除率为41.94%~93.91%。本研究中M7发酵液的DPPH自由基清除率为87.38%,处于上述清除率范围的中高水平,且接近于上限,同时值得注意的是,市售天麻饮片的抗氧化波动幅度较大,这与天麻的产地、采收时间、加工工艺等自然与人为因素相关,而天麻高抗氧化活性内生菌密孔菌突变株M7发酵液抗氧化活性受发酵条件严格调控,显示出更强的质量均一性和可控性,且发酵周期远短于天麻的栽培周期,在资源可持续性利用和生产效率上更具优势。结果表明M7发酵液,在抗氧化功能产品开发中展现出良好的应用潜力。

体内抗氧化活性实验证实,M7发酵液可显著改善D-gal诱导的小鼠氧化应激状态:不仅能显著提高血清中GSH-Px、SOD活力(P<0.05),降低MDA含量(P<0.05),还能逆转D-gal导致的肝脏、肾脏、大脑及心脏指数异常(P<0.05),表明M7发酵液具有优异的体内抗氧化活性及脏器保护作用,与天麻注射液体内实验结果一致,黄丽亚等[24]研究了天麻对氟哌啶醇致衰老大鼠抗氧化酶表达作用的影响,实验结果表明腹腔注射天麻注射液能使实验大鼠多种组织SOD、GSH-Px显著升高(P<0.001)。

本研究从天麻中分离、筛选并通过ARTP诱变获得一株高抗氧化活性内生菌密孔菌突变株M7,其发酵液兼具良好的体内外抗氧化活性,为天麻的抗氧化活性研究提供了新思路,未来可进一步聚焦M7发酵液中抗氧化活性成分的分离鉴定,并深入探究其调控氧化应激的分子机制,为该菌株的产业化开发和应用提供坚实的理论基础与数据支撑。

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Study on breeding of endophytes with high antioxidant activity from Gastrodia elata and their in vivo and in vitro antioxidant activities

ZHAO Wenxuan1*, WANG Jie2, JU Zhigang1

1(Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, College of Pharmacy, Guiyang 550025, China)

2(Shizhen College of Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Department of Medicine and Pharmacy, Guiyang 550200, China)

ABSTRACT Based on the high antioxidant activity of Gastrodia elata, its endophytes may synergistically produce active substances.To explore the antioxidant potential of these endophytes, they were first isolated from tubers of G. elata, and in vitro antioxidant activity analysis was conducted to screen endophytes with high antioxidant activity.Subsequently, morphological and 18S rDNA sequence identification were performed.The antioxidant activity was further improved via atmospheric room temperature plasma (ARTP) mutagenesis breeding and optimization of fermentation conditions.Finally, a mouse D-galactose (D-gal) model was established to verify in vivo antioxidant activity of the target strain.Results showed that a total of 28 endophytic strains were isolated from G. elata tubers.Through the determination of total phenol content and total flavonoid content, as well as the calculation of hydroxyl radical (·OH), DPPH, and ABTS cation radical scavenging rates, one endophytic strain (No.5) with high antioxidant activity was screened out, which was identified as Pycnoporus sp. A genetically stable mutant strain M7 with high antioxidant activity was obtained by ARTP mutagenesis breeding.Meanwhile, its fermentation conditions were optimized, and the optimal conditions were determined with glucose as carbon source, peptone as nitrogen source, a pH of 7.5, and a rotation speed of 90 r/min.Results of in vivo antioxidant activity experiments showed that M7 fermentation broth could significantly increase the activities of glutathione peroxidase and superoxide dismutase,reduce malondialdehyde content in serum of D-gal-induced oxidative stress model mice, and reverse the abnormal indices of liver, kidney, brain, and heart in these model mice.In summary, the mutant strain M7, an endophyte of G. elata belonging to Pycnoporus sp., exhibits excellent antioxidant activity both in vitro and in vivo, which can serve as a candidate resource for natural antioxidants and provide an experimental basis for the development of functional foods.

Key words Gastrodia elata;endophytes;mouse model;antioxidant activity

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044744

引用格式:赵文萱,王婕,鞠志刚.天麻高抗氧化活性内生菌选育及体内外抗氧化活性研究[J].食品与发酵工业,2026,52(15):171-179.ZHAO Wenxuan, WANG Jie, JU Zhigang.Study on breeding of endophytes with high antioxidant activity from Gastrodia elata and their in vivo and in vitro antioxidant activities[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(15):171-179.

第一作者:博士,讲师(通信作者,E-mail:113613094@qq.com)

基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2020YFC2006002-03)

收稿日期:2025-10-08,改回日期:2025-10-25