真菌Stilbella sp.CGMCC 40422的萜类产物研究.pdf
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1、生物技术进展生物技术进展 2023 年 第 13 卷 第 4 期 604 611Current Biotechnology ISSN 20952341研究论文研究论文Articles真菌Stilbella sp.CGMCC 40422的萜类产物研究宋开南,艾羽桐,徐玉泉*中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081摘要:采用多种硅胶柱色谱、OSD柱色谱与半制备柱高效液相色谱对真菌Stilbella sp.CGMCC 40422大米培养基的发酵产物进行分离提纯,并通过质谱、核磁共振波谱解析等方法对得到的化合物纯品进行结构鉴定。结果显示,从该菌株中分离得到2个原萜烷型四环三萜、1个倍半萜与5个
2、杂萜类化合物,分别为烟曲霉酸、helvolinic acid、tricho-acorenol、ascofuranone、ilicicolin C、LL-Z1272、deacetylchloronectrin和ascochlorin N-acetylglucosamine。其中烟曲霉酸的含量最高,随后采用高效液相色谱法测定不同发酵时间发酵物中主产物烟曲霉酸的产量,烟曲霉酸含量在培养15 d后达最大值3 g kg-1,说明Stilbella sp.CGMCC 40422具有强大的萜类产物生产能力,研究结果为进一步开发萜类化合物生产的底盘细胞奠定了基础。关键词:Stilbella sp.CGMCC
3、40422;萜类化合物;烟曲霉酸;底盘细胞DOI:10.19586/j.20952341.2023.0030 中图分类号:Q958.8 文献标志码:AStudy of the Terpenoids from Stilbella sp.CGMCC 40422SONG Kainan,AI Yutong,XU Yuquan*Biotechnology Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,ChinaAbstract:The compounds from Stilbella sp.CGMCC
4、 40422 were isolated by silica gel column,ODS column and semi-preparative high performance liquid chromatography.And their structures were elucidated by nuclear magnetic resonance(NMR)and mass spectrum(MS)spectral analysis.The results showed that two prototerpene-type tetracyclic triterpenoids,one s
5、esquiterpenoid and five meroterpenoids were isolated from the rice fermentation products of the fungus,and their structures were identified as helvolic acid,helvolinic acid,tricho-acorenol,ascofuranone,ilicicolin C,LL-Z1272,deacetylchloronectrin ascochlorin and N-acetylglucosamine.The content of hel
6、volic acid under different fermentation time was tested by HPLC chromatography.The yeild of helvolic acid reached a maximum of 3 g kg-1 after 15 days of fermentation,showing that Stilbella sp.CGMCC 40422 have strong production capacity of terpenoids.The results could lay the foundation for further d
7、evelopment of the chassis cells of terpenoid cell factories.Key words:Stilbella sp.CGMCC 40422;terpenoids;helvolic acid;chassis cells萜类化合物是由多个异戊二烯单元构成的烃类含氧衍生物,在自然界中分布广泛,是天然产物中占比最高的一类次级代谢产物。萜类化合物因其复杂的骨架结构与优良的药理、生理活性,在食品、化工、医药和能源等领域应用广泛,常见的萜类化合物有倍半萜青蒿素、二萜银杏内酯和三萜甘草次酸等1-2。目前,萜类化合物的获取方式主要有植物提取法、化学合成法与细胞工
8、厂合成法。传统的植物提取法具有产物含量低、分离纯化难度大、植物种植周期长等局限性;化学合成法也存在着能耗高、效率低、环境不友好等缺点;细胞工厂合成法则具有周期短、成本低、环境友好等优势3-4。近年来,科学家们利用微生物细胞工厂高效合成萜类化合物取得了突破性进展。如李春等5在酿酒酵母中过表达MVA途径限速酶,偶联半乳糖代谢调控网络,并经过发酵调控优化,使得五环三萜齐墩果酸的产量达到606.9 mg L-1。张学礼等6从山楂中鉴收稿日期:20230314;接受日期:20230506基金项目:国家自然科学基金项目(22277137)。联系方式:宋开南 E-mail:S;*通信作者 徐玉泉 E-mai
9、l:宋开南,等:真菌Stilbella sp.CGMCC 40422的萜类产物研究定出细胞色素P450酶CYP716C49,利用工程化酿酒酵母对其异源表达,合成了熊果酸和科罗索酸,其中科罗索酸的产量达到141 mg L-1。然而,利用微生物细胞工厂合成萜类化合物的产量仍不能满足市场日益增长的需求7,并且常用的底盘细胞酿酒酵母并不能准确地识别其他真核生物基因的内含子和外显子,P450酶在酿酒酵母中的功能性表达难度很大,故而寻找新的底盘细胞势在必行 8。本研究从土壤中分离得到一株高产萜类化合物的丝状直菌Stilbella sp.CGMCC 40422,通过核磁共振与高效液相色谱等方法对萜类产物的结
10、构与产量进行研究,以期为进一步开发萜类化合物生产的底盘细胞奠定基础。1材料与方法1.1实验材料1.1.1 仪器 Agilent 核磁共振波谱仪(600 MHz DD2型);Agilent液相色谱-质谱联用仪(1290 UHPLC,G6125B单四极质谱);Agilent制备型高效液相色谱仪(1260 型);Agilent 半制备 Eclipse XDB-C18反相柱(9.4 mm250 mm,5 m);BUCHI旋转蒸发仪(R-300 型);TOMY 高压蒸汽灭菌锅(SX-500型);CRYSTAL恒温振荡器(IS-RDS3);默克milli-Q超纯水系统;BUCHI中压制备液相色谱(C-60
11、5型);Eppendorf高速冷冻离心机(5425型)。1.1.2 试剂 青岛海洋化工厂柱层析用硅胶(200300目);YMC公司反相硅胶基C18填料;天津致远化学试剂有限公司二氯甲烷、无水甲醇、无水乙醇、乙酸乙酯、石油醚(分析纯);美国TEDIA公司甲醇、乙腈(色谱纯);上海吉至DNA提取液(25 24 1);上海吉至核酸提取液(24 1);索莱宝3 mol L-1乙 酸 钠(pH 5.2);诺 唯 赞 2Phanta Max Master Mix;Biowest琼脂糖;索莱宝50TAE缓冲液。1.1.3 培养基配制 孟加拉红固体培养基:在1 L蒸馏水中加入 36.7 g 索莱宝公司孟加拉红
12、培养基,搅拌均匀后120 高压灭菌20 min。PDB培养基:在1 L蒸馏水中加入35 g马铃薯葡萄糖粉末,搅拌均匀后120 高压灭菌20 min。大米培养基:将 50 g大米与 50 mL 蒸馏水加入 500 mL 锥形瓶中,静置2 h后120 高压灭菌20 min。YES固体培养基:酵母提取物20 g,MgSO4 7H2O 0.5 g,蔗糖150 g,ZnSO4 7H2O 10 mg,CuSO4 5H2O 5 mg,琼脂15.0 g,蒸馏水定容至1 L,搅拌均匀后120 高压灭菌20 min。1.2实验方法1.2.1 菌种分离与鉴定 实验所用菌株Stilbella sp.分离自海南高山土壤
13、,采用稀释平板法11对真菌进行分离。取200 mg土样置于装有小钢珠的1.5 mL EP管中,加入800 L无菌水稀释破碎混匀,随后用无菌水稀释1 000倍,土壤浊液涂布在孟加拉红固体培养基上。当观察到有新菌落形成时,立即将其转接到PDA固体培养基上,之后继续纯化以获得单一菌落。最后用20%甘油于-80 保存菌株。菌株Stilbella sp.现保存于中国普通微生物菌种保藏管理中心,编号CGMCC 40422。将真菌接种在YES固体培养基上28 培养14 d,总DNA提取采用CTAB法12。采用真菌ITS通用引物 ITS1(5-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3)和ITS4(5-TCC
14、TCCGCTTATTGATATGC-3)作为上下游引物扩增ITS序列,引物由金唯智生物科技有限公司合成。每个PCR反应体系为(30 L):上下游引物各 1.2 L,稀释 50 倍的总 DNA 模板 0.6 L,2Phanta Max Master Mix 15 L,ddH2O 12 L。PCR程序:95 预变性3 min;95 变性15 s,55 退火15 s,72 延伸30 s,35个循环;72 终延伸5 min,4 保存。取3 L PCR产物用1%琼脂糖凝胶进行电泳,成功扩增的PCR产物送至金唯智生物技术有限公司测序,再用Vector NTI软件将序列进行双向拼接。将获得的序列在NCBI网
15、站(www.ncbi.nlm.nih.gov)上进行Blast比对,选取同源性较高的菌株序列,用MEGA 11.0中的邻接法构建系统发育树,再用Bootstrap对系统发育树进行检验,重复1 000次。1.2.2 发酵条件 用无菌接种环从Stilbella sp.菌株冻存管中挑取菌丝,接种到 2 瓶装有 250 mL PDB锥形瓶中,28 恒温振荡(120 r min-1)培养3 d作为种子液。将种子液接种至大米固体培养基中(每瓶 50 g 大米,50 mL 纯水,120 高压灭菌,共接种100瓶),室温下静置培养10 d。1.2.3 提取分离 将大米培养基发酵物干燥后进行机械粉碎,乙酸乙酯浸
16、泡提取3次,合并提取液,减压浓缩得总浸膏。总浸膏经硅胶(200300 目)柱层析(石油醚乙酸乙酯,体积比1 00 1)梯度洗脱,运用薄层色谱法与高效液相分析(high performance liquid chromatography,HPLC)合并后605生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology得到9个主流分Fr.1Fr.9。其中Fr.2经反相ODS柱层析(甲醇水,体积比1 91 0)及半制备型HPLC(乙腈水,体积比68 32)纯化得到化合物3(2.1 mg)、化合物4(7.0 mg)、化合物5(4.8 mg)、化合物6(5.4 mg)和化合物8(7.3 mg)
17、。Fr.5经反相ODS柱层析(甲醇水,体积比1 91 0)及半制备型HPLC(乙腈水,体积比57 43)纯化得到化合物1(47.3 mg)和化合物2(5.9 mg)。Fr.7经反相ODS柱层析(甲醇水,体积比1 91 0)及半制备型HPLC(乙腈水,体积比33 67)纯化得到化合物7(4.6 mg)。1.2.4 烟曲霉酸含量测定 采用HPLC对真菌发酵产物乙酸乙酯粗提物中主成分烟曲霉酸的含量进行测定,以纯化的烟曲霉酸作为对照品。HPLC条件:以60%色谱乙腈/水作为流动相,采用Eclipse Plus C18分析型色谱柱(100 mm2.1 mm3.5 m),柱温25,流速0.35 mL mi
18、n-1,检测波长为230 nm,进样量2 L。仪器精密度实验。精密称取10 mg烟曲霉酸纯品于EP管中,加入10 mL色谱甲醇溶解,超声处理20 min,溶解为1 mg mL-1。取该溶液300 L,加色谱甲醇至 1 mL,稀释至 0.3 mg mL-1,连续使用HPLC检测5次,统计各次化合物峰面积并计算相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)值,以确认仪器精密度是否良好。标准曲线的绘制。依次吸取上述1 mg mL-1烟曲霉酸溶液100、200、300、400、500 L于EP管中,再分别加入色谱甲醇至1 mL,超声处理20 min,得到主成分化合物对照
19、品系列溶液。使用HPLC对上述系列对照品溶液检测并统计对应色谱峰的峰面积,然后将对照品的质量浓度(mg mL-1)作为横坐标,对应的峰面积作为纵坐标,得出标准曲线方程。稳定性实验。称取粗提物浸膏 20 mg 于 EP管中,加入色谱甲醇4 mL,超声处理20 min,溶解为5 mg mL-1。吸取该溶液100 L,加入色谱甲醇至1 mL,稀释至0.5 mg mL-1。然后将该溶液于0、2、4、6、8 h重复进样。分别统计这5次测量的峰面积并计算RSD值,以确认样品溶液在8 h内是否稳定。重现性实验。分别制备5份浓度为0.5 mg mL-1供试品溶液,制备方法同稳定性实验。将5份溶液进行HPLC检
20、测。统计这5次测量的峰面积并计算RSD值,以确认该测定方法是否具有良好的重现性。加样回收试验。依次吸取上述1 mg mL-1对照品溶液200、400、600 L至EP管中,再分别加入色谱甲醇至1 mL,配制成0.2、0.4、0.6 mg mL-1的对照品溶液。分别取对照品溶液各200 L至3个EP管中,再各自加入200 L已知主成分含量的0.5 mg mL-1粗提物供试品溶液,超声处理20 min。将3份混合样品依次进行HPLC测定,计算加入对照品的回收率。烟曲霉酸含量测定。分别称取50 g大米制作21 瓶大米培养基,于菌株发酵第 3、6、9、12、15、18、21 d各取3瓶,用1.2.3的
21、方法提取浓缩后,溶解于100 mL甲醇中。使用HPLC检测各溶液,统计峰面积并得出烟曲霉酸与发酵时间的关系。2结果与分析2.1菌株鉴定结果将菌株CGMCC 40422经18S rDNA-ITS基因测序后,在GenBank数据库中利用Blast进行同源性比对,发现该菌株ITS序列与Stilbella fimetaria(登录号FJ430712)和S.fimetaria(登录号为KX446764)相似性均为99%。进一步从GenBank数据库选择S.fimetaria及其近缘种的rDNA-ITS序列,与菌株CGMCC 40422构建系统发育树。结果表明,菌株CGMCC 40422与S.fimeta
22、ria(登录号FJ430712)和S.fimetaria(登录号KX446764)处于同一分支上,可信度为62%,与其他近缘种有遗传距离(图1)。综合分析,将菌株CGMCC 40422初步鉴定为Stilbella sp.。2.2化合物的结构鉴定本研究从 Stilbella sp.CGMCC 40422 的大米培养基发酵产物中共分离共得到8个萜类化合物(图2),具体结构解析如下。化合物1为无色晶体,ESI-MS m/z:567.2 M-H-,分子式为C33H44O8;1H-NMR(600 MHz,CDCl3):7.30(1H,d,J=10.0 Hz,H-1),5.84(1H,m,H-2),2.7
23、6(1H,m,H-4),2.25(1H,m,H-5),5.22(1H,m,H-6),2.60(1H,m,H-9),1.561.95(2H,m,H-11),1.802.40(2H,m,H-12),2.56(1H,m,H-13),1.892.22(2H,m,H-15),5.85(1H,m,H-16),0.91(3H,s,H-18),1.43(3H,s,H-19),2.47(2H,m,H-22),2.062.13(2H,m,H-23),5.09(1H,t,J=7.0 Hz,H-24),1.59(3H,s,H-26),1.68(3H,s,H-27),1.26(3H,d,J=6.8 Hz,H-28),1
24、.17(3H,s,H-29),2.10(3H,s,H-2),1.92606宋开南,等:真菌Stilbella sp.CGMCC 40422的萜类产物研究(3H,s,H-4);13C-NMR(150 MHz,CD3OD):157.6(C-1),127.9(C-2),201.6(C-3),40.5(C-4),47.3(C-5),73.9(C-6),208.9(C-7),52.8(C-8),41.8(C-9),38.3(C-10,24.0(C-11),26.0(C-12),49.5(C-13),46.7(C-14),40.7(C-15),73.6(C-16),147.9(C-17),18.1(C-1
25、8),27.6(C-19),130.5(C-20),174.8(C-21),28.6(C-22),28.5(C-23),122.9(C-24),133.0(C-25),17.9(C-26),25.8(C-27),13.2(C-28),18.4(C-29),169.0(C-1),20.8(C-2),170.3(C-3),20.6(C-4)。上述数据与Fujimoto等13报道基本一致,故确定化合物1为烟曲霉酸。化合物2:无色晶体,ESI-MS m/z:525.2 M-H-,分子式为C31H42O7;1H-NMR(600 MHz,CDCl3):7.31(1H,d,J=10.0 Hz,H-1),5.
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