doi: 10.15389/agrobiology.2020.3.606rus
УДК 635.8:577.1
Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН №1.21П «Биоразнообразие природных систем. Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга».
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БАЗИДИОМИЦЕТОВ С ПЕРЕМЕННО-ВАЛЕНТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ В СОСТАВЕ АСПАРТАТОВ БИОГЕННЫХ МЕТАЛЛОВ(II)
О.М. ЦИВИЛЕВА1, А.Н. ШАТЕРНИКОВ1, В.В. ФАДЕЕВ1, Е.В. ЛЮБУНЬ1,
В.Г. АМЕЛИН2, С.П. ВОРОНИН3, А.П. ГУМЕНЮК3, В.Е. НИКИТИНА1
Важное направление развития научных основ искусственного культивирования грибов — оптимизация минерального питания и доставки металлов(II). Органическая форма микроэлементов обладает значительными преимуществами перед неорганическими прекурсорами. Конъюгация металлов(II) (в частности Cu, Mn, Fe, Zn, Co) с эссенциальными аминокислотами представляется решением проблемы биодоступности благодаря химическим процессам комплексообразования. В представленном исследовании мы впервые обнаружили и охарактеризовали действие аспартатов переменновалентных металлов(II) на ростовые процессы, биохимический отклик погруженных культур, антибактериальную активность грибных препаратов и плодоношение базидиомицетов родов Ganoderma, Grifola, Laetiporus, Lentinula и Pleurotus. Цель нашей работы состояла в выявлении и сравнении особенностей действия аспартатов переменновалентных металлов(II) на физиолого-биохимические показатели базидиомицетов. В работе использовали культуры трутовика лакированного (Ganoderma lucidum 1315), грифолы зонтичной (Grifola umbellata 1622), трутовика серно-желтого (Laetiporus sulphureus 120707), пилолистника съедобного (шиитаке) (Lentinula edodes F-249), вешенки устричной (Pleurotus ostreatus 69, BK1702 и HK352). Аспартаты Cu(II), Mn(II), Fe(II), Zn(II), Co(II) в концентрации 1×10-4 моль/л входили в состав питательных сред на основе глюкозы или пшеничного отвара при выращивании мицелия методом погруженного культивирования. Еще одним вариантом добавки к питательной среде была аспарагиновая кислота (Asp) в концентрации 2×10-4 моль/л. Рост грибов при глубинном культивировании характеризовали по накоплению сухой биомассы. Мицелий фильтровали через предварительно взвешенные на аналитических весах фильтры, высушивали до постоянной массы и вновь взвешивали. Сравнивали прирост биомассы (по сравнению с 3-часовыми образцами культуры) в контрольном (без добавок аспартатов — хелатов аспарагиновой кислоты) и опытных вариантах. Субстратом для выращивания плодовых тел вешенки устричной служила лузга подсолнечника. Антибактериальную активность продуктов из погруженных грибных культур, выращенных в присутствии хелатов, определяли в отношении фитопатогенных бактерий Micrococcus luteus B-109, Pectobacterium carotovorum subsp. сarotovorum (штаммы 603 и MI), Pectobacterium atrosepticum 1043, Pseudomonas fluorescens EL-2.1, Xanthomonas campestris B-610, используя метод диффузии в агар. Эффект добавок на состав пула вторичных метаболитов грибных культур оценивали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии/времяпролетной масс-спектрометрии высокого разрешения. Количественную оценку содержания металла в биологических пробах грибного происхождения проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Характеристики развития плодовых тел вешенки устричной оценивали в лаборатории, а затем в условиях грибоводческого хозяйства. Установлено, что аминокислотные хелаты биогенных металлов(II) служат факторами интенсификации выращивания посевного мицелия и плодообразования макробазидиомицетов в лабораторных условиях. Показано существенное ростостимулирующее действие хелатов меди, марганца, цинка и в меньшей степени железа на мицелий базидиомицетов в условиях погруженного культивирования, в особенности в отношении трутовика лакированного, грифолы зонтичной, трутовика серно-желтого. Отмечалось весьма слабое стимулирование или даже ингибирование роста P. ostreatus 69 в вариантах с добавками Cu(Asp)2, Mn(Asp)2, Zn(Asp)2. Аспарагиновая кислота демонстрировала ингибирующий эффект вне зависимости от таксономических характеристик базидиомицетов. При культивировании вешенки устричной в присутствии аспартатов биогенных металлов выявлены межштаммовые различия в отношении быстро- и медленнорастущих культур к экзогенному воздействию хелатов металлов. В вариантах опыта Cu(Asp)2 и Zn(Asp)2 преимуществом обладал штамм P. ostreatus BK1702. Хелат марганца оказывал наиболее выраженное положительное действие на быстрорастущий штамм P. ostreatus HK352. По данным физико-химических исследований, аспартаты металлов(II), особенно Mn(Asp)2, Cu(Asp)2, влияют на биосинтез 5-гидроксиметилфурфурола, дигидропирона (структурный аналог койевой кислоты), пара-гидроксифенилуксусной кислоты, антиоксидантные свойства которых важны для грибной культуры. Положительное действие сочетаний хелатных соединений Mn(II), Cu(II), Fe(II), Zn(II) на жизнедеятельность P. ostreatus может быть эффективно использовано как для развития научных основ минерального питания высших грибов, так и в практическом грибоводстве. Аспартаты биогенных металлов могут служить действующим началом биопрепаратов для промышленного культивирования грибов. Характеристики развития мицелия и плодовых тел вешенки устричной с использованием в эксперименте аспартатов позволили рекомендовать к практическому применению хелат марганца(II).
Ключевые слова: базидиомицеты, физиолого-биохимические характеристики, биометаллы, аминокислотные хелаты, аспартаты.
O.M. Tsivileva1, A.N. Shaternikov1, V.V. Fadeev1, E.V. Lyubun1,
V.G. Amelin2, S.P. Voronin3, A.P. Gumenyuk3, V.E. Nikitina1
Current studies on artificial mushroom cultivation are aimed at optimizing mineral nutrition and the delivery of metals(II). Organically bound trace metals are superior to their inorganic precursors. Cu, Mn, Fe, Zn, and Co metal(II) complexation with essential amino acids seems to be a solution to the bioavailability problem, thus making amino acid chelates of biogenic metals relevant for study. In particular, aspartic acid salts potentially could improve cultivable mushroom growing due to use of bioavailable organic compounds of microelements. However, a comprehensive study on mineral nutrition of cultivated mushrooms using biogenic metal chelates has not been conducted previously. This paper is the first to discover and characterize the effect of metal(II) aspartates on growth, biochemical response, antibacterial activity of mycelium submerged cultures, and fruiting-body formation in basidiomycetes Ganoderma lucidum strain 1315, Grifola umbellate strain 1622, Laetiporus sulphureus strain 120707, Lentinula edodes strain F-249, and Pleurotus ostreatus strains 69, BK1702 and HK352. The work was aimed at elucidating and comparing action of the variable-valent metal(II) aspartates on the physiological and biochemical parameters of the basidiomycetes. Glucose- and wheat powder-based nutrient media supplemented with 1×10-4 mol/l Cu(II), Mn(II), Fe(II), Zn(II), and Co(II) aspartates were used to grow mycelia in submerged culture, comparing growth parameters and production of fruiting bodies. Media without any supplements or with 2×10-4 mol/l L-aspartic acid were control. Antimicrobial activity of the metal-containing biosamples against phytopathogenic bacteria Micrococcus luteus B-109, Pectobacterium carotovorum subsp. сarotovorum (strains 603 and MI), Pectobacterium atrosepticum1043, Pseudomonas fluorescens EL-2.1, Xanthomonas campestris B-610 was determined by agar well diffusion method. A pool of secondary metabolites was analyzed by high performance liquid chromatography/high resolution time-of-flight mass-spectrometry method. Metal levels in specimens were quantified by atomic absorption spectroscopy technique. The fruiting body formation was tested in the lab and upon commercial growing. In lab tests, it was established that amino acid chelates of biogenic metals(II) intensify mycelium growth in liquid-submerged culture and fruiting body formation. Chelates of copper, manganese, zinc, and to a lesser extent iron, exhibited the significant growth-promoting effect on the basidiomycetes' mycelium under the submerged culture conditions, especially in respect to lacquered polypore, umbrella polypore, and sulfur-yellow polypore. The additives of Cu(Asp)2, Mn(Asp)2, Zn(Asp)2 showed only slight stimulation or even inhibition of P. ostreatus 69 growth. Aspartic acid caused a suppressing impact on mycelia accumulation, regardless of the basidiomycetes' taxonomic characteristics. At the oyster mushroom fermentation in the presence of biogenic metal aspartates, the interstrain distinctions occurred among rapidly and slower growing cultures in relation to the metal chelates' exogenic action. Thus, in assays with Cu(Asp)2 and Zn(Asp)2, the strain P. ostreatus BK1702 had an advantage over others in accumulating biomass. Manganese chelate exerted the most profound positive effect on the fast-growing strain P. ostreatus HK352. The latter, however, was suppressed in its development to the greatest extent compared with BK1702 or 69, when the cobalt organic salt appeared in the liquid medium. Earlier we discussed in detail the items related to these substances' increased level resulted from the exogenic action of some compounds. As a biochemical response of cultures to the above aspartates occurrence in the starting nutrient media, the organic substances with double bond, which were not detected in the absence of the same additives, appeared in the growth liquid. These substances were aromatic alcohol 2-phenylethanol, as well as para-hydroxyphenylacetic acid, the latter's maximal extracellular concentration evaluated by the analytical signal being observed at Mn(Asp)2 introduction. According to the data we gathered by physicochemical research, the metal(II) aspartates, notably Mn(Asp)2, Cu(Asp)2 in the growth liquid induced the increased level of 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde, dihydropyrone (structurally similar to kojic acid), para-hydroxyphenylacetic acid, which antioxidative properties are important for mushroom culture. Positive impact of the certain combinations of Mn(II), Cu(II), Fe(II), Zn(II) chelate compounds on P. ostreatus vital functions could be efficiently used for elaborating upon scientific foundations and developing the technology of mushroom mineral nutrition, including wide-scale growing. Biogenic metal aspartates could serve as the active ingredient in biopreparations for commercial mushroom culture. Oyster mushroom fruit bodies and mycelium parameters provided by the aspartates implementation allowed us to propose manganese(II) chelate for put into practice.
Keywords: basidiomycetes, physiological and biochemical features, biometals, amino acid chelates, aspartates.
1ФГБУН Институт биохимии и физиологии растений |
Поступила в редакцию |
