本视频展示了一种在受控环境下研究好氧真菌降解木质纤维素植物组织的方法。琼脂块微环境系统能够控制营养来源和湿度,这是其主要优势,但该方法常出现结果不一致的问题。本文针对关键的实验陷阱进行探讨,以获得可重复、变异度低的实验结果。
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本视频展示了一种在受控环境下研究好氧真菌降解木质纤维素植物组织的方法。琼脂块微环境系统能够控制营养来源和湿度,这是其主要优势,但该方法常出现结果不一致的问题。本文针对关键的实验陷阱进行探讨,以获得可重复、变异度低的实验结果。
研究真菌降解木质纤维素植物组织的两种主要方法最初是为木材防腐剂测试而开发的(土块法;琼脂块法)。普遍认为,土块法微宇宙系统能产生更高的降解速率,水分问题更少,不同研究间的变异性更低,且对防腐剂毒性的耐受阈值更高。因此,土块法是更常用的技术,并已被美国材料与试验协会(ASTM)标准化(方法 D 1413-07)。然而,土块法设计存在缺点,例如使用具有地域差异的土壤来源,以及难以控制降解组织外部(外源性)的营养条件。这些缺点在将该方法应用于其他日益热门的研究目标时日益凸显。这些现代研究目标包括:为生物能源研究降解木质纤维素材料、测试共代谢有毒物质的生物修复、评估氧化机制,以及追踪沿菌丝网络转移的元素。土块法在这些应用中无法提供足够的控制能力,因此有必要采用一种改进的琼脂块方法。
本研究采用褐腐木材降解真菌Serpula lacrymans,在低钙琼脂块微宇宙系统中降解木材,使用深型培养皿和低钙琼脂。我们通过时间序列实验检测外源石膏对木材降解的影响,以展示该方法的实用性及预期的变异性。取自同一块木材纵向切割条的样品经调湿、称重、高压灭菌后,无菌地放置于塑料网格上方。真菌接种于每个木块的各个表面,外源石膏则添加在界面处。收获过程保持无菌操作,直至最终的破坏性取样。这些微宇宙系统的设计旨在避免木块与琼脂或培养皿壁接触。在倒平板和培养过程中尽量减少冷凝水的产生。此外,接种物、石膏与木材之间的间距尽可能小,但不发生直接接触。琼脂块实验设计中这些看似技术性较低的环节,恰恰是实验失败最常见的原因,也是不同研究之间变异性的主要来源。因此,视频发表在此类研究中具有重要价值,本文展示了低变异性和高质量的实验结果。
本方案适用于木质和非木质基质,如文中所述,也适用于烘箱干燥或空气干燥的材料。但在设置前,请先通读整个方案。文中提出了若干可能影响您研究的要点,这些要点(已加下划线)需要提前规划。此外,请注意目前有两种已发表的琼脂块方法偶尔被使用:一种是英国标准838(British Standard 838),另一种是遵循Bravery(1978年)提交给国际木材保护研究组织(IRG-WP)的论文所描述的方法。我们的方法与838标准相似,主要在微环境设计和琼脂培养基控制方面进行了修改。然而,由于历史上木材样品块的水分控制存在问题,可能导致缺氧和实验结果变异,这两种方法通常都被避免使用。关于这些测试方法的综述,包括对琼脂块设计(含838标准)的讨论,可参见Nicholas(1973年)的文献。
1) 准备微宇宙系统
这些试验所用的微型培养皿比普通培养皿高1 cm(更深),以增加木块上方的空间。培养皿中加入适量且精确量的琼脂,以控制营养物的绝对含量及其浓度,并确保木块与皿盖之间保持足够距离(>3 mm)。在石膏测试中使用的琼脂为低钙型A类琼脂;然而,本研究展示的结果采用布莱克斯利培养基(Blakeslee's medium),这是美国典型培养物保藏中心(ATCC)推荐用于维持测试菌株Serpula lacrymans(Wulfen: Fries)Schroeter菌株EMPA 65(ATCC 32750)的培养基。
这种设计使植物组织远离琼脂接触,并避免与培养皿盖和皿壁接触。木质纤维素基质的润湿程度不一是琼脂块试验中变异性的主要来源。润湿以提高含水量会导致缺氧,从而抑制甚至停止好氧生物降解过程。这对于研究负责木材分解的褐腐和白腐真菌的氧化机制的研究者而言也带来了问题。如果培养皿盖上形成自由水滴并润湿基质,则会产生冷凝水问题。同样,当木材和其他组织与琼脂接触时,会迅速通过毛细作用吸水,导致含水量超过80%(以干重为基础),进而中断好氧降解过程。因此,必须将组织与这些水源隔开,使丝状真菌能够寻找、连接并调控基质内的水分。
2) 准备“块状”基底
这些方案最初是为实木材料开发的,但也可适用于其他植物组织。在丝状真菌降解木材的研究中,质量损失是衡量降解程度的标准指标。因此,本方法通过测定降解前后样品的烘干重量来计算质量损失。然而,在以植物组织化学特性为重点的生物能源研究中,许多研究者认为风干组织更为合适。本文提供了制备琼脂块培养物时使用烘干起始材料的方案,同时也给出了采用风干处理以及使用粉末而非固体基质的替代方案。
3) 接种与标记
接种琼脂块微环境比接种土壤块培养瓶更耗时。对我们而言,每次接种大约需要3分钟。对于含有琼脂的培养皿,此时需加入筛网、木材、任何外源性营养物质(此处为石膏颗粒)以及真菌。由于培养皿盖开启时间较长且操作次数较多,污染风险随之增加。此步骤中还常出现若干关键性错误,结合视频与文字说明可更有效地避免这些问题。请观看视频。
4) 培养与收获
可根据您的真菌需求进行培养皿的孵育,但应尽可能置于生物培养箱中,以避免因温度波动而产生冷凝水。时间序列取样需在无菌条件下进行,最后一次取样除外。若在真菌于底物上显著生长后进行这些中间取样,则操作培养皿会更加方便,因为菌丝会交联底物。
5) 结果解读
在琼脂块设计中,木质纤维素组织通常降解较慢,但在该阶段,即使降解程度中等,变异程度也应相对较低。对照组织中的水分含量应为中等(20-50%),而非过高。

图 1. 琼脂块微环境系统,如本演示中所示,接种前的设置状态。

图 2. Serpula lacrymans 定植于塑料网上的松木块,使木块高于琼脂接触面。该菌丝体代表了木材与外源性营养/元素来源之间的重要连接,通过琼脂或固体材料控制这些外源物质是琼脂块设计相较于土壤块设计的关键优势。

图3. 在含松木的琼脂块微宇宙系统中,经5周和15周培养后,Serpula lacrymans 引起木材腐朽程度的平均重量损失百分比。处理方式包括:无添加(无钙)、在琼脂中添加5 mM CaCl2(CaCl2)、>99% 纯度的石膏(CaSO4)或含1%铁改性的石膏。采用Tukey检验进行保护性ANOVA均值比较,显著性水平α=0.05。每次采收时,标注相同字母的柱间差异不显著。误差线表示标准差。数据来源:Schilling(2010)。

图 4. 第15周时同一种褐腐真菌Serpula lacrymans引起腐朽的全部五个重复样本的俯视图(A),以及取出后经烘箱干燥的试块(B)。注意无钙处理中缺乏黑色素化现象,纯钙处理中的黄化现象,以及添加铁处理中的锈色外观。处理方式的标注同图3,其中(B)中的对照为未接种的试块,用于比较。

图 5. 来自另一次试验的俯视图,该试验使用了更高铁浓度的培养基——Blakeslee 麦芽琼脂。与图 4 相比,可观察到黑色素化现象消失。对移除并称重的试块进行分析,结果显示处理方式对重量损失无影响。本图用于展示这些试块试验中外源性成分的影响。此类效应在土壤试块瓶设计中无法检测,因为在该体系中外源性输入难以控制。
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利用我们的琼脂块实验装置(图1),Serpula lacrymans 能够直接与石膏表面接触生长,并侵入木材块中(图2),导致对照组褐腐松木块的重量损失超过60%(图3)。该结果轻松满足ASTM标准中>50%的腐朽要求,且在第16周时腐朽程度的平均变异系数(CV)为0.055。此数据已发表于Schilling7的研究中。需要注意的是,其他真菌在琼脂块中的培养时间通常需长于土壤块中的培养时间。作为参考,我们在以往的多个实验中已成功应用类似设计,研究了多种其他真菌种类,并常结合扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)和电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)来验证真菌与外源基质的连接性,以及钙和其他元素向木材内部的迁移8,9。
除了变异性较低之外,我们的琼脂块设计还揭示了另外两个结果。首先,存在处理效应(图3),即无论以CaCl2形式还是纯石膏形式向琼脂中添加钙,均会抑制该真菌的降解作用。这一结果具有重要意义,因为其他研究者曾基于对砂浆和灰泥等实际材料的研究,提出钙可...
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 培养皿 | Nalge Nunc international | 4014 | 25 × 150 mm |
| 琼脂,A型 | Sigma-Aldrich | A4550 | |
| 硝酸铵,NH4NO3 | Millinckrodt | 3436-12 | |
| 磷酸二氢钾,KH2PO4 | JT Baker | 3246-01 | |
| 七水合硫酸镁,MgSO4•7H2O | Sigma-Aldrich | 230391 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G8270 | 右旋糖 |
| 硼酸,H3BO4 | Mallinckrodt Baker Inc. | 2549-04 | |
| 七水合硫酸锌,ZnSO4•7H2O | Mallinckrodt Baker Inc. | 8880-12 | |
| 四水合氯化锰,MnCl2•4H2O | JT Baker | 2540-04 | |
| 五水合硫酸铜(II),CuSO4•5H2O | Sigma-Aldrich | 209198 | |
| 四水合钼酸铵,(NH4)6Mo7O24•4H2O | Sigma-Aldrich | 431346 | |
| 二水合氯化钙,CaCl2•2H2O | Mallinckrodt Baker Inc. | 4160-12 | |
| 氯化钠,NaCl | Mallinckrodt Baker Inc. | 7581-12 | |
| 七水合硫酸亚铁,FeSO4•7H2O | Mallinckrodt Baker Inc. | 5056-12 | |
| 移液辅助器 | Drummond Scientific | 4-000-110 | 无线 用乙醇擦拭表面 |
| 10 ml 无菌聚苯乙烯移液管 | BD Biosciences | 357551 | |
| 滤网盖 | Thermwell Products Co. | VX620 | 预先用肥皂清洗 五金店 |
| 半水合硫酸钙,CaSO4•0.5H2O | Acros Organics | 385355000 | |
| 4号软木钻孔器 | Boekel Scientific | 1601 | |
| Parafilm "M" | Pechiney Plastic Packaging | PM-996 |
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