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1株拮抗细菌的分离鉴定及其对香蕉枯萎病等病原菌的抑制活性测定

2017-05-30张妙宜陈志杰陈宇丰冯仁军高祝芬张锡炎

热带作物学报 2017年11期
关键词:广谱

张妙宜 陈志杰 陈宇丰 冯仁军 高祝芬 张锡炎

摘 要 为了增加生防制剂的有效成分来源,从食物黄豆酱中分离筛选得到4株拮抗细菌,以香蕉枯萎病为指示菌,采用平板对峙法测定菌株抑菌谱,获得1株具有稳定抑制活性的拮抗细菌。通过鉴定菌株的形态特征、生理生化特性及16S rDNA基因序列比对分析,初步确定该拮抗菌株Y-4是解淀粉芽胞杆菌(Bacillus amyloliquefaciens),并测定在不同状态和处理操作下菌株的抑制活性。结果表明:菌株Y-4对香蕉枯萎病等12种病原真菌均有较强抑制活性,抑菌率为53.33%~86.67%。其中对香蕉枯萎病菌4号小种病原菌的抑菌率为63.33%,其发酵液也具有一定抑菌活性,对粗蛋白进行不同浓度活性测定,在2 000 μg/mL时对香蕉枯萎病菌4号小种的抑制效果最佳。乙醇萃取物对峙12种病原真菌的抑菌率最高达70%。从食物中分离出的菌株Y-4具有稳定的抑菌活性,为香蕉枯萎病生防制剂的研制拓展新的研究领域。

关键词 甲基营养型芽胞杆菌;拮抗;生防制剂;广谱

中图分类号 S432.4 文献标识码 A

Abstract In order to increase the effective component of the Biocontrol Medicament, four antagonistic bacteria were isolated from the food of soybean paste in this article. The method of tablet confrontation was used to determine the bacterial strain of the bacterium, and to obtain a resistant bacteria with stable inhibitory activity.Preliminary identification of strain Y-4 was Bacillus amyloliquefaciens through the observation of morphology, and the analysis of physiological and biochemical characteristics, and 16S rDNA sequence. Measuring the different state and operation in the inhibition activity of the strain. The results showed:The strain of Y-4 had strong inhibiting activity in 12 Pathogenic fungus, such as Fusarium oxysporum f. sp. cubense, The bacteriostatic rate was 53.33%~86.67%. Among them, the bacteriostatic rate of Fusarium oxysporum f. sp. cubense was 63.33%, the Fermentation liquid has certain bacteriostas was activity. Performed the Inhibition effect to different concentrations of crude protein, and the inhibition effect to Fusarium oxysporum f. sp. cubense was the best in 2 000 mg/mL. The antibacterial rate of the twelve pathogenic fungi was up to 70% with Ethanol extract. The strain of Y-4 was isolated from the food had stable bacteriostatic activity, to develop new research fields for the Biocontrol Medicament of Fusarium oxysporum f. sp. cubense.

Key words Bacillus methylotrophicus; antagonism; biocontrol medicament;broad spectrum

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.11.025

香蕉(Musa nana Lour)系芭蕉科芭蕉屬大型草本植物,主要产区分布于南北纬20°之间,收获期长。果实属浆果类,富含多种微生物及维生素,被誉为“上苍赐予人类的保健佳果”[1]。目前,全球种植香蕉国家及地区有130个,大多为发展中国家。据联合国粮食及农业组织(FAO)数据显示,2000~2014年全球香蕉产量从0.66亿t增至1.062亿t,其中亚洲地区香蕉产量占全球的54.1%[2]。虽然全球香蕉总产量呈现稳步递增的趋势,但“大面积、大产量”下引发的香蕉枯萎病病害防治仍是世界性的研究课题。

1874年,人们首次在澳大利亚发现由镰刀菌侵染维管束引起的香蕉枯萎病,俗称“黄叶病”[3],这种病害会使蕉苗、流水、土壤、农具等带病,一旦蔓延很难得到控制。全球报道的香蕉镰刀菌枯萎病菌有1、2、3、4号4个生理小种,其中4号小种主要分布于澳大利亚、非洲和部分亚洲国家,危害品种种类十分广泛,对所有香蕉和对其他小种有抗性的香牙蕉都有感染性,毁灭性最强,引发全球各香蕉产出国的广泛关注与重视[4]。

为了应对香蕉枯萎病病害肆虐,多使用化学防治和生物防治等方法保护香蕉。虽然化学防治在一定条件下能快速控制病害,但长期使用化学农药不仅会使病原菌产生抗药性,还会破坏土壤活性,致使生态环境失衡。随着农业可持续发展观念的强化,生物防治得到广泛推广,利用种群间的相互作用抑制病原菌生长,既减少环境污染,又能持续控灾,成本也相对较低。镰刀菌枯萎病菌从根部侵入,产生毒素使维管束坏死,在植株死后随残体混入土壤,可在土壤中存活20年之久,是一种土壤习居菌,高温多湿天气更易使植株染病、灾情蔓延[5],所以研制预防控制这种土传病害微生物制剂成为当今枯萎病防控课题的重要方向。

目前用以防治香蕉枯萎病病害的生物制剂有效成分种类有:假单胞杆菌、芽胞杆菌、木霉菌、放线菌。其中芽胞杆菌对外界有害因子具有强抵抗力,分布于土壤、水、空气等处,开发潜力大、适用性广。利用生物技术选育具有特定强势拮抗功能的菌株能为防治植物病虫害、活化土壤养分做出突出贡献。Johnson等[6]首次在枯草芽胞杆菌分离出抑菌物质,引起越来越多的国内外学者关注与研究,并从不同芽胞杆菌中分离得到抑菌蛋白类等抑菌物质。2007年解淀粉芽胞杆菌FZB42全基因组测序的完成也使人们对芽胞杆菌的多次生代谢物生产功能有了更加深刻的认识,这对解淀粉芽胞杆菌在生物防治上的利用具有阶段性突破[7]。李玉洋等[8]从棉花根际土壤中分离得到1株对尖孢镰刀菌防效率达65.19%的解淀粉芽胞杆菌SN06,黄建凤等[9]则从发病蕉园的健康香蕉根际分离筛选获得1株解淀粉芽胞杆菌菌株H-7,对香蕉枯萎病的生防效率可达53.0%。多年来的研究报道表明,生物制剂的有效成分来源多种多样,本研究通过分离筛选黄豆酱中的微生物,发现菌株Y-4在不同状态和处理下对多种常见病原菌均有稳定抑制活性,为香蕉枯萎病防治难题提供有利理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试拮抗菌株Y-4:由笔者购自大润发超市的海天黄豆酱中分离得到;供试病原真菌:共12种(表1),均保藏于笔者所在研究组;培养基:固体PDA培养基、固体LB培养基、液体LB培养基。

1.2 方法

1.2.1 拮抗细菌的分离筛选与拮抗能力评估 取10 g黄豆酱样品放入90 mL无菌水中,充分搅拌均匀后,在无菌操作条件下,配制浓度梯度为10-4、10-5、10-6的悬浮液,各吸取100 μL滴加于LB培养基上,用三角型玻棒涂布平板法涂布均匀,每个梯度设3个重复,常温下倒置培养1~3 d,观察细菌菌落形态特征。用多次划线将挑取到的特征相异的单菌落纯化至纯培养。

以香蕉枯萎病菌4号小种为指示菌,在PDA培养基中间接入直径为5 mm的病原菌菌丝块,将筛选得到的纯菌株活化后平行对称接种到平板中心距边缘25 mm处,每个平板接4处,设3个重复,常温下培养72 h,观察测量其抑菌圈,挑取抑菌效果好的菌株保存至LB培养基上扩大培养。

采用平板对峙培养法测定菌株对病原真菌的抑制活性,以其他11个病原菌为靶标菌株。方法同上,并以只接病原菌为对照,常温下培养3~7 d至对照平板长满菌丝,用十字交叉法测量靶标菌落大小和该细菌与各病原菌之间的抑菌带宽度,计算抑菌率,评估细菌拮抗能力的大小。抑菌率=(对照菌落直径-处理菌落直径)/对照菌落直径×100%,抑菌带宽度=(抑菌带外径的平均值-试样直径)/2(下同)。

1.2.2 拮抗细菌的分类鉴定 活化菌株并采用革兰氏染色法观察其形态和培养特征,然后参考《常见细菌鉴定手册》[10]、《伯杰氏细菌鉴定手册》[11]对菌株进行生理生化鉴定。

菌株16S rDNA序列测定及系统发育树构建:选用16S rDNA通用引物27F(5′-AGAGTTTGATCC TG-GCTCAG-3′),1492R(5′-GGTTACCTTGTTAC GACTT-3′)[12]对菌株进行PCR扩增(表2)。

4 ℃下保存扩增处理后DNA样品,用1%琼脂糖凝胶电泳预检测后送华大基因纯化测序,双向测通拼接后在GenBank进行Blast相似序列比对,在MEGA5.05中以邻接法(Neighbor Joining method[13])选取相似度较高的模式菌株作为参比对象,进行系统发育树构建与分析。

1.2.3 不同处理发酵液抑菌活性测定 发酵液原液制备:将纯化的菌株Y-4采用平板划线法在LB培养基上划线,置于常温下培养24 h,挑取单菌落接种于LB液体培养基中,放置在摇床上200 r/min 充分震荡3 d。得到发酵液原液。

发酵液上清液提取:将500 mL发酵液原液分装于50 mL离心管中,常温下12 000 r/min离心30 min,弃沉淀保留上清,再用孔径0.22 μm的过滤器除菌,4 ℃保存,备用。

硫酸铵处理上清液提取:将1 000 mL发酵液原液置于离心机中 4 ℃、8 000 r/min离心40 min,取上清,缓慢加入430 g硫酸铵,并边搅拌调整至 65%溶液飽和度,4 ℃静置24 h。分装后置于离心机中4 ℃、8 000 r/min离心40 min,分别收集上清液及沉淀。上清液用细菌过滤器除菌,得到硫酸铵处理上清液,沉淀待用。

发酵液粗蛋白液提取:上步骤得到的沉淀用少量10 mmol/L磷酸缓冲盐溶液(PBS)溶解,置于透析袋中,用同一浓度PBS缓冲液4 ℃过夜透析除盐后分成等量的两份,一份用细菌过滤器除菌,即为发酵液粗蛋白液;另一份经真空冷冻干燥技术脱水为粗蛋白干粉,加入无菌水配制成20 mg/mL粗蛋白溶液,待用于浓度定量后进行不同粗蛋白浓度抑菌试验。将粗蛋白溶液制备成62.5、125、250、500、1 000和2 000 μg/mL的稀释液并过滤,备用。

发酵液乙醇萃取物提取:向发酵液原液中加入等体积的95%乙醇,浸泡3 d。于50 ℃旋蒸除去乙醇溶剂,再加入无菌水进行溶解,过滤器除菌,备用。

发酵液处理液的抑菌活性测定:以无菌水为对照,采用平板打孔抑菌试验分别测定发酵液上清液、硫酸铵处理上清液、发酵液粗蛋白液、发酵液乙醇萃取物的抑菌活性。在PDA平板中心距边缘25 mm处用孔径7 mm的打孔器进行打孔,每孔加入100 μL发酵液处理液,每个处理重复3次,平板中心位置加入病原真菌。常温下培养待对照平板长满真菌后测定各发酵液处理液的抑菌率和测定不同浓度梯度的粗蛋白溶液的抑菌带宽度。

1.3 数据处理

采用Excel 2007、SAS9.1统计软件和单因素方差分析统计[14]进行数据分析比较。运用Duncan氏新复极差法进行各处理间的差异显著性对比。

2 结果与分析

2.1 拮抗细菌的筛选与抑谱测定

本研究使用涂布划线分离法从黄豆酱样品中纯化得到52株菌,经过筛选、拮抗评估等步骤得到4株活性较好的拮抗细菌,分别编号为Y-1、Y-2、Y-3、Y-4,挑取抑菌效果最为明显的菌株Y-4为研究对象进行菌株形态观察、生理生化鉴定、抑菌谱测定,结果表明菌株Y-4对12种供试病原真菌抑制效果在53.33%~86.67%之间(表3),具较为广泛的抑菌谱(图1),其中对香蕉枯萎病菌4号小种的抑菌率达63.33%,稳定性最佳,为现阶段枯萎病防治难题及微生物领域的广谱生防制剂研究提供基础依据。

2.2 菌株Y-4鉴定

形态特征及培养特征:菌株Y-4在LB平板培养基上生长状况良好,室温下培养2 d,菌落直径在2~6 mm之间,形状不规则、纵剖面隆起,边缘呈不齐整波状,表面褶皱干燥,颜色为浅黄色不透明,革兰氏阳性菌,好氧,芽胞呈短小卵圆形。

生理生化鉴定:菌株Y-4能水解淀粉,接触酶、乙酰甲基甲醇、硝酸盐还原试验为阳性;甲基红、丙二酸试验为阴性;可利用的唯一碳源有乳糖、纤维二糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、甘露醇、阿拉伯糖、麦芽糖、山梨糖、棉子糖、肌醇、松三糖、鼠李糖、核糖、蜜糖、蔗糖和木糖,不能利用果糖;可利用的唯一氮源有苯基丙氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、缬氨酸、色氨酸,不能利用蛋氨酸、苯基丙氨酸、萘氨酸、谷氨酸和甲硫氨酸(表4)。

最适合生长温度为37 ℃,pH值为6.5~7.0。

2.3 菌株16S rDNA序列测定及系统发育树构建

菌株Y-4经16S rDNA测序得到1 452 bp的基因片段,将其提交GenBank数据库进行基因序列相似性比较,并选取14株同源性较高的标准菌株序列,与待测菌株Y-4的序列进行系统发育树构建(图2)。从16S rDNA序列相似性比对分析结果和系统发育树可知,菌株MY-1与菌株Bacillus amyloliquefaciens(解淀粉芽胞杆菌)、Bacillus siamensis(暹罗芽胞杆菌)、Bacillus vanillea(香草芽胞杆菌)和Bacillus velezensis(贝莱斯芽胞杆菌)亲缘关系最近,同源性最高,相似度均達98.8%。根据系统发育树相似性和同源性分析,菌株Y-4和Bacillus amyloliquefaciens位于同一分支,两者进化关系和距离最近,相似度达99.17%,结合形态特征、培养特征和生理生化特征,鉴定此菌株为解淀粉芽胞杆菌Bacillus amyloliquefaciens。

2.4 不同处理发酵液抑菌活性测定

菌株Y-4在不同状态下有一定的广谱抑菌活性,通过不同处理测定其抑菌率大小。发酵液上清液对不同病原菌的抑菌率为59.44%~90.56%(表5),对香蕉枯萎病菌4号小种的抑菌率达64.44%,菌株液态下抑制活性均优于固态,对炭疽病效果强弱依次为:辣椒炭疽病菌>芒果炭疽病菌>胶孢炭疽病菌(或草莓炭疽病菌)(图3)。

硫酸铵处理后的发酵液上清液无活性(图4),将处理后的发酵液沉淀用磷酸缓冲盐溶液溶解获取粗蛋白液,其抑菌率为57.22%~82.22%(表6),对病原菌抑制活性较为稳定(图5),对香蕉枯萎病菌4号小种的抑菌率为67.22%,拮抗效果明显高于菌株自身及发酵液上清液。采用倍数稀释法对香蕉枯萎病菌4号小种进行不同浓度粗蛋白活性测定,结果显示,粗蛋白浓度从62.5~2 000 μg/mL,对枯萎病靶标菌均有显著的活性,且粗蛋白浓度和活性呈线性正相关,在粗蛋白溶液浓度为62.5 μg/mL时,抑菌带宽度是0.49 cm,在2 000 μg/mL时对靶标菌的抑制效果最佳(图6),抑菌带宽度达1.39 cm(图7)。

乙醇萃取物对峙病原真菌有明显的抑菌带,最高达1.65 cm(图8);抑菌活性在60.00%~82.22%之间(表7),其中,对香蕉枯萎病菌4号小种抑制率高达70.00%,拮抗效果为几种处理液中最佳,表明该菌株抑菌活性稳定,其代谢产物具有良好抑制病菌效果,特别是液态下,这为开发便于大田施用的高效拮抗生防试剂提供理论支撑。

3 讨论

为适应生产及有机农业发展趋势,截至当前,已有很多使用生防试剂有效抑制农业病害的研究面世。以菌治菌[15],是一项旨在利用微生物或其代谢产物防治危害农作物病菌的新型生物工程研究,对植物病菌具强选择性、对自然生态环境具安全性,可促进现代农业逐步转向可持续发展。邢祎博[16]从番茄根际土壤和发病组织中分离筛选出一株能有效抑制由茄链格孢菌所致的番茄早疫病的枯草芽胞杆菌7-19菌株,并通过优化菌株的液态发酵条件提高芽胞形成率,使其益生菌成活量达到最大培养度,为番茄早疫病的生物防治制剂研究提供可行性依据。在实际操作中,施用化学农药等传统肥料见效虽快,但也面临着难操作、费劳力、多污染的难题,筛选高效优质的拮抗菌进行液态发酵制成生防制剂,可充分利用其代谢产物的抑菌活性,也更易于田间快捷精确喷施,从而达到防害优产的目的。黄俊等[17]在水稻田中施用油菜菜籽饼代替部分肥料,实现了减肥增产增效;胡伟等[18]从大豆根系分离出一株抗利福平且对香蕉枯萎病病原菌有强拮抗效果的解淀粉芽胞杆菌;戴君勇等[19]从棉花根际土壤中分离筛选出一株对多种植物枯萎病菌具有抑菌活性,且对棉花和小鼠安全无毒的解淀粉芽胞杆菌KL-1。

为拓展生防制剂有效成分来源,本研究从来源安全、方便收集的角度考虑,以食物调味品黄豆酱为研究对象,分离筛选出4株拮抗性能良好的拮抗细菌,选定12种常见的植物病原真菌为供试病菌,以国际植物检疫对象“香蕉枯萎病菌”为指示菌,挑取其中一株抑菌效果最为明显的菌株Y-4进行对峙试验,测定菌株的抑菌谱,发现其对12种供试病原菌的抑菌率均在53.33%以上,最高可达86.67%,对菌株进行形态观察、生理生化鉴定,通过16S rDNA 序列分析比对,快速鉴定出该菌株为解淀粉芽胞杆菌。菌株芽胞存活量大小直接影响着生防菌剂的最终防效[20],菌株Y-4具内生芽胞,适应性、抗逆性极强,营养要求简单易于培养,是开发生物防治菌剂发展优势种群的潜在益生菌。

早在1938年,Florey就对微生物代谢抗菌物质展開了深入研究,而芽胞杆菌属又是微生物中代谢天然抗菌素的佼佼者。研究中常用硫酸铵沉淀分离蛋白,郝建安等[21]研究表明解淀粉芽胞杆菌NK10.BAhjaWT发酵上清液经硫酸铵盐析处理获得的粗提蛋白具有抑菌活性。孟利强等[22]从大豆根际分离的生防菌株TF28(解淀粉芽胞杆菌)经硫酸铵盐析后得到粗蛋白可抑制大豆根腐病菌等。为充分发掘拮抗菌的抑菌杀菌效果,本研究对菌株Y-4进行不同的发酵处理测定其抑菌谱,利用硫酸铵盐析法检测出菌株Y-4硫酸铵上清液未具抑制活性,沉淀处理所得发酵粗蛋白液对12种供试病原菌具较高抑菌活性,其中对香蕉枯萎病菌4号小种的抑菌率为67.22%,对粗蛋白进行不同浓度活性测定,结果表明,粗蛋白浓度为62.5~2 000 μg/mL时对枯萎病靶标菌的抑菌活性呈线性正相关,在2 000 μg/mL时抑菌带宽度达1.39 cm。对菌株发酵液进行乙醇萃取测活,结果表明,乙醇萃取物对12种靶标菌均具有明显的抑菌活性,对枯萎病抑菌率达70.00%。目前,国内外常见的解淀粉芽胞杆菌来源大多从土壤和作物根系等分离筛选,很少有从食物中分离筛选解淀粉芽胞杆菌以防控香蕉枯萎病的研究报道,陈燕红等[23]从发病蕉园香蕉根系土壤中分离的R21g9菌株(解淀粉芽胞杆菌)对香蕉枯萎病菌菌群拮抗效果极佳,Lu Juan等[24]从海南盐碱土中分离出一株对香蕉枯萎病菌有强烈抑制作用的Bacillus amyloliquefaciens。本研究从黄豆酱中分离并测定出该解淀粉芽胞杆菌Y-4菌株对多种常见病原真菌具有较广的抑菌谱,发酵液化下对香蕉枯萎病的抑菌效果更加稳定,这为生防菌剂有效成分提供原料来源,为微生物防病抑菌机制、生防菌株开发利用、改良土壤状态和促进生态环境平衡提供可行性依据。

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