辣椒根腐病拮抗細菌D221發(fā)酵條件的研究

劉培福，何付麗,，曲春鶴，紀明山，趙長山

（1.東北農業(yè)大學農學院，哈爾濱 150030；2.沈陽農業(yè)大學植物保護學院，沈陽 110161）

由腐皮鐮孢菌（Fusarium solani）侵染引起的辣椒根腐病，是一種典型的土傳病害。該病主要危害根部，病部皮層下呈淡或深褐色[1-2]，一般年份發(fā)病率10%，重時達20%～30%，重病地塊甚至達50%[3]。目前，國內外系統(tǒng)研究辣椒根腐病的較少，現有的土壤消毒劑中，防效有限，熏蒸劑高毒且價昂，操作麻煩；采取換地移棚的防治方法，不僅使投資增加且局限性強，限制了棚菜生產的發(fā)展[4-5]。利用拮抗細菌及其發(fā)酵產物防治辣椒根腐病是一種具應用前景的探索[6]。為了實現拮抗細菌的工業(yè)化生產，必須優(yōu)化細菌的發(fā)酵條件，目前關于拮抗細菌的發(fā)酵培養(yǎng)主要包括液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵[7-8]。D221菌株是從辣椒根際土壤中分離得到的，經過離體和活體實驗測定，該菌株對辣椒根腐病病原菌有良好的拮抗活性。本試驗研究了D221菌株的搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基成分、發(fā)酵條件對該菌生長和產生抗菌物質能力的影響，為其發(fā)酵生產提供依據，并為進一步利用該菌株產生的抗菌物質開發(fā)創(chuàng)新農藥奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種

拮抗細菌D221，從生長健康的辣椒植株根際土壤中分離、篩選獲得。病原指示菌，辣椒根腐病菌（Fusarium solani），由東北農業(yè)大學植物病理實驗室提供。

1.1.2 供試培養(yǎng)基

種子培養(yǎng)基，牛肉膏3.0 g、蛋白胨5.0 g、葡萄糖5.0 g、NaCl 5.0 g、蒸餾水1 000 mL；原始發(fā)酵培養(yǎng)基，牛肉膏3.0 g、蛋白胨5.0 g、葡萄糖10.0 g、NaCl 5.0 g、蒸餾水1 000 mL。

1.2 方法

1.2.1 培養(yǎng)基組分的篩選

分別用10 g·L-1葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖、可溶性淀粉、糊精、甘油、玉米淀粉代替原始培養(yǎng)基中的碳源，以不加碳源的處理為對照；分別用10 g·L-1蛋白胨、胰蛋白胨、牛肉膏、酵母粉、酵母膏、尿素、（NH4）2SO4、NH4NO3、NH4Cl和KNO3代替原始培養(yǎng)基中的氮源，以不加氮源的處理為對照；分別用5 g·L-1MgSO4、CH3COONa、K2HPO4、CaCO3、CuSO4、ZnSO4代替原始培養(yǎng)基中的NaCl，以不加無機鹽的處理為對照。進行單因子試驗，各處理3次重復，通過不同碳源、氮源、無機鹽對菌株生長量和產抗菌物質的影響，選擇最佳的碳源、氮源和無機鹽。

1.2.2 培養(yǎng)基組分的優(yōu)化

根據1.2.1的篩選結果，碳源選擇蔗糖，氮源選擇牛肉膏和胰蛋白胨，無機鹽選擇NaCl和MgSO4，按正交設計表L16（45）安排試驗，根據各處理產抗菌物質的能力優(yōu)化培養(yǎng)基組分。

1.2.3 培養(yǎng)條件的優(yōu)化

以1.2.2優(yōu)化出的培養(yǎng)基為基礎培養(yǎng)基，溫度30℃，接種量10%，轉速150 r·min-1，培養(yǎng)48 h為初始條件。將溫度分別設為15、20、25、30、35、40℃；初始pH分別設為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0；接種量分別設為1%、3%、5%、7%、10%、13%；通氣量設定為250 mL搖瓶裝液量10、30、50、80、100、120、150 mL；搖床轉速分別設為50、100、150、200 r·min-1；培養(yǎng)時間分別設為 16、24、32、40、48、56、64、72 h。進行單因子試驗，各處理3次重復。根據D221菌株在不同發(fā)酵條件下的產量和無菌濾液的抑菌活性選擇最佳發(fā)酵條件。

1.2.4 菌體生長量的測定方法

利用SP-1900UVPC型分光光度計測定不同濃度D221菌懸液在625 nm處的吸收值，建立標準曲線，根據菌懸液吸收值計算其含菌量（標準曲線為y=1.3484x+6.9559，R2=0.806）。

1.2.5 無菌發(fā)酵液抑菌活性的測定

利用孔碟法測定拮抗細菌D221無菌發(fā)酵濾液抑菌活性[9]。將D221菌株發(fā)酵液在10 000 r·min-1下離心20 min，取上清液在0.22 μm微孔濾膜過濾器中過濾得到無菌濾液，制備含辣椒根腐病病原菌孢子的PDA平板，用打孔器在平板上等距打兩個孔，每個孔內加無菌濾液80 μm，重復3次，30℃培養(yǎng)2 d，測抑菌圈大小[10]。

2 結果與分析

2.1 培養(yǎng)基各成分的優(yōu)化

由表1可以看出，所試碳源對D221菌株的生長量和產抗菌物質能力都有促進作用。抑菌圈直徑從大到小依次為蔗糖＞葡萄糖＞甘油＞麥芽糖＞可溶性淀粉＞乳糖＞糊精＞玉米粉。蔗糖的抑菌圈直徑為18.5 mm，并且菌株產量也達到了1.95×108cfu·mL-1，效果明顯優(yōu)于其他碳源，因此選擇蔗糖為D221菌株的最佳碳源。

表1 不同碳源對菌株生長量和產拮抗物質的影響Table 1 Effect of different carbohydrate sources on growth and antimicrobial activity of strain D221

由表2可知，D221菌株不能利用供試的無機氮源；有機氮源中，蛋白胨的產量最高，但其抑菌圈直徑較小。而胰蛋白胨和牛肉膏的抑菌圈直徑明顯大于其他氮源，且菌株產量也較高，因此選擇胰蛋白胨和牛肉膏為最佳氮源。

表2 不同氮源對菌株生長量和產拮抗物質的影響Table 2 Effect of different nitrogen sources on growth and antimicrobial activity of strain D221

由表3可知，D221菌株在以NaCl和MgSO4為無機鹽的培養(yǎng)基中產抗菌物質的能力較強，且產量也較高。因此，無機鹽選擇NaCl和MgSO4。

表3 不同無機鹽對菌株生長量和產拮抗物質的影響Table 3 Effect of different inorganic salt sources on growth and antimicrobial activity of strain D221

2.2 培養(yǎng)基成分含量的優(yōu)化

根據表4顯示，5種培養(yǎng)基成分對D221菌株產抗菌物質能力的影響大小依次為：蔗糖＞牛肉膏＞胰蛋白胨＞NaCl＞MgSO4。各因素的最佳水平為A3B2C4D3E1。因此，D221菌株產抗菌物質的最佳培養(yǎng)基組成為蔗糖2.0%，胰蛋白胨0.5%，牛肉膏2.0%，NaCl 0.5%，MgSO40.1%。

2.3 培養(yǎng)條件的優(yōu)化

由圖1可以看出，D221菌株生長最適溫度在30℃左右，而且菌體生長溫度與產抗菌物質的要求基本一致，即30℃時，菌株最大生長量為3.4×108cfu·mL-1，抑菌圈直徑最大達24.8 mm。隨溫度升高，菌株產量明顯下降，說明溫度偏高不利于菌株生長。選用30℃為D221菌株最佳發(fā)酵溫度。

發(fā)酵液的初始pH對該菌株產量和產抗菌物質能力影響很大，如圖2結果顯示，當pH 6～7時，菌株產量和抑菌圈直徑達到最大值。隨著pH升高，菌株產量和抑菌活性迅速下降。當pH 8～9時，發(fā)酵液基本沒有抑菌效果。說明堿性條件對D221菌株有抑制作用，弱酸有利于菌株生存，本試驗選擇pH 7為最佳D221菌株的最佳發(fā)酵環(huán)境。

從圖3可以看出，菌株生長量隨著時間的延長而增加，到40 h菌株產量達到高峰并且趨于穩(wěn)定。當培養(yǎng)時間為16 h時，發(fā)酵液基本沒有抗菌活性?？咕镔|在40～56 h產量達到最大值，綜合菌株生長量和產抗菌物質的能力的結果，本試驗選擇48 h為最佳發(fā)酵時間，此時抑菌圈直徑為25.1 mm；菌株產量為3.89×108cfu·mL-1。

表4 L16（45）正交試驗結果Table 4 Factors and levels of L16（45）orthogonal test

圖1 不同溫度對菌株生長和產抗菌物質的影響Fig.1 Effect of different temperatures on growth and antagonistic substance of strain D221

圖2 pH對菌株生長和產抗菌物質的影響Fig.2 Effect of different pH on growth and antagonistic substance of strain D221

圖3 培養(yǎng)時間對菌株生長和產抗菌物質的影響Fig.3 Effect of cultivation time on growth and antagonistic substance of strain D221

接菌量為3%～7%時，菌株產量和產抗菌物質能力達到高峰。隨接菌量增加，菌株生長量和產抗菌物質能力都下降。當接菌量達到10%時（見圖4），二者變化趨與穩(wěn)定。本試驗選用5%接菌量，此時抑菌圈直徑達最大24.8 mm，菌株產量為3.91×108cfu·mL-1。

菌株發(fā)酵通氣量可通過三角瓶內培養(yǎng)基的裝液量來控制，從圖5可以看出，菌株生長量和抑菌圈直徑對通氣量的要求基本一致。結果表明，當在250 mL的三角瓶中加入液體培養(yǎng)基量為10～50 mL時，菌株生長量達到最大值。當裝液量為30 mL時，拮抗物質的抑菌圈直徑最大達25.2 mm。

圖4 接菌量對菌株生長和產抗菌物質的影響Fig.4 Effect of different inoculation volume on growth and antagonistic substance of strain D221

圖5 通氣量對菌株生長和產抗菌物質的影響Fig.5 Effect of different medium volume on growth and antagonistic substance of strain D221

搖床轉速是影響搖瓶培養(yǎng)基中通氣狀況的重要因素。菌體發(fā)酵活性產物一般都是好氧過程（見圖6）。

由圖6可知，結果表明轉速為150 r·min時抑菌效果最好，抑菌圈直徑為24.9 mm，過低及過高轉速對發(fā)酵均不利。只有合適的轉速(150 r·min)滿足發(fā)酵所需溶氧量時，發(fā)酵液內活性物質性最強。當搖床轉速為50 r·min時，發(fā)酵液基本沒有抗菌活性。

圖6 轉數對菌株生長和產抗菌物質的影響Fig.6 Effect of different shaker rotation speed on growth and antagonistic substance of strain D221

2.4 培養(yǎng)條件優(yōu)化后產生抗菌物質的能力

優(yōu)化后實測抑菌圈直徑為31.5 mm，而原始發(fā)酵條件下的抑菌圈直徑為18.9 mm，因此優(yōu)化后抑菌圈直徑提高了66.7%（見圖7）。

圖7 優(yōu)化培養(yǎng)條件后產抗菌物質能力與原始發(fā)酵條件的比較Fig.7 Comparison of the ability of produced antagonistic substance in optimized medium with original

3 討論

a.本試驗通過單因子和正交試驗對培養(yǎng)基成分進行了優(yōu)化，但是對發(fā)酵條件的優(yōu)化只進行單因子試驗，雖然也得到了一些結論，但是如果想更加全面的了解該菌株的發(fā)酵條件，還得需要對這幾個不同的發(fā)酵條件進行正交試驗。

b.本試驗在室內搖瓶條件下進行，為工業(yè)大規(guī)模發(fā)酵提供參考。下一步將用自動發(fā)酵罐進行驗證發(fā)酵，以獲得更多、更詳盡的優(yōu)化參數，為生產放大做好鋪墊。

c.本試驗以胰蛋白胨和牛肉膏作為發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分，雖然得到的發(fā)酵液抑菌活性很高，但成本也高，是否可用其他更便宜的材料替代，應當進一步試驗。

d.利用生防菌防治植物土傳病害所涉及的影響因素很多，其作用方式各不相同。目前研究比較清楚的主要有重寄生、抗生作用、生態(tài)位點競爭以及誘導系統(tǒng)抗性等幾個方面。以上幾種作用并不相互排斥，往往是協(xié)同作用。拮抗細菌D221的抗菌機理，抗菌物質的活性成分是什么，抗菌物質的穩(wěn)定性等，都有待于進一步研究。

4 結論

a.以2.0%蔗糖作為碳源時菌株產量和抑菌活性都是最高的；D221菌株不能有效利用無機氮源，但是能夠很好的利用有機氮源，其中0.5%胰蛋白胨和2.0%牛肉膏效果最顯著；供試的無機鹽對D221菌株的抑菌活性均有影響，0.5%NaCl和0.1%MgSO4能明顯提高D221抑菌活性，但是CuSO4和ZnSO4會抑制菌株生長，抗菌活性有所降低。

b.在250 mL三角瓶內裝入30 mL優(yōu)化后的培養(yǎng)基，把初始pH調至7.0，按5%接種量接入D221種子液，溫度30℃，在150 r·min-1的轉速下培養(yǎng)48 h得到的無菌發(fā)酵液抑菌活性最高。

c.D221菌株生長快，易產生拮抗物質，對辣椒根腐病有較好的防治作用，是一種很有潛力的生防菌，本試驗最終確定了D221菌株產拮抗物質的最適培養(yǎng)基和發(fā)酵條件，為該菌株的進一步研究與開發(fā)應用奠定了基礎。

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