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    巨菌草一株內(nèi)生固氮菌的分子鑒定及生物學(xué)特性

    2018-03-05 11:03:36葉文雨謝序澤楊林青邱學(xué)鴻牛曉慶胡紅莉余文英魯國(guó)東
    熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年12期
    關(guān)鍵詞:固氮菌菌草內(nèi)生

    葉文雨 謝序澤 楊林青 邱學(xué)鴻牛曉慶 胡紅莉 余文英 魯國(guó)東

    摘要 菌草(JUNCAO)是可作為栽培食用菌、藥用菌的草本植物。內(nèi)生固氮菌具有生物固氮的功能,可以促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高植物對(duì)病原菌的拮抗作用。采用無氮培養(yǎng)基、乙炔還原法等方法從巨菌草根中分離純化到1株具有較強(qiáng)固氮酶活性的菌株,固氮酶活性值為270.20 nmolC2H4/(mL·h)。通過16S rDNA序列分析,進(jìn)一步確定該菌株屬于變棲克雷伯氏菌(Klebsiella variicola)。內(nèi)生固氮菌株fjg102對(duì)稻瘟病菌Guy11和Ku70的抑菌率分別為40.25%和44.30%,具有一定的抑制病原菌的作用。菌株fjg102革蘭氏染色陽性,具有溶磷作用、觸酶反應(yīng)為陽性、明膠液化為陽性等生理生化特性。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明,接種fjg102菌株后對(duì)大麥有明顯的促生作用。其中葉長(zhǎng)增加37.26%,根長(zhǎng)增長(zhǎng)9.40%,根重增加66.16%,鮮重增加96.40%,干重增加80%??梢?,該內(nèi)生固氮菌株具有生物固氮和促生的效果,可進(jìn)一步研究開發(fā)成為微生物肥料生產(chǎn)菌種。

    植物的生長(zhǎng)需要各種營(yíng)養(yǎng)元素,氮是生長(zhǎng)發(fā)育必須的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一。空氣中的氮必須通過固氮微生物的轉(zhuǎn)化植物才能利用[1-2]。植物內(nèi)生固氮菌(Endophytic diazotroph)是指那些定殖在健康植物體內(nèi),與宿主植物進(jìn)行聯(lián)合固氮的一類微生物[3-4]。發(fā)掘植物內(nèi)生固氮菌資源遺傳多樣性已成為非豆科作物高效利用生物固氮戰(zhàn)略的主攻方向之一。內(nèi)生固氮菌可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)、抑制植物病害、提高植物產(chǎn)量、降低化肥使用量,減少水土污染、保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境[15]。內(nèi)生固氮菌有利于營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和微環(huán)境適宜的生態(tài)位,避免了化合態(tài)氮的抑制及土著微生物的競(jìng)爭(zhēng),進(jìn)而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的提高[6-7]。野生稻內(nèi)生菌根瘤菌(Rhizo-bium)、鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)等對(duì)水稻紋枯病有一定的抑制作用[8],芽孢桿菌(Bacillus)對(duì)赤霉病等病害可產(chǎn)生良好的防治效果[9]。高玲玲等[10]研究發(fā)現(xiàn),多粘類芽孢桿菌(Paenibacilluspolymyxa)和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)對(duì)水稻白葉枯病、條斑病、稻瘟病、紋枯病和惡苗病等5種主要病原菌都有抑制作用。

    菌草(JUNCAO)是可作為栽培食用菌、藥用菌的草本植物。巨菌草屬于禾本科植物狼尾草屬,具有營(yíng)養(yǎng)豐富、植株高大、單位面積產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、資源豐富、易于人工栽培、資源可持續(xù)利用等生物學(xué)特性,有較高的研究、開發(fā)和利用價(jià)值[11]。目前為止,已從甘蔗、水稻、小麥、玉米、白菜、芹菜等植物中分離到內(nèi)生固氮菌[12],但對(duì)巨菌草內(nèi)生固氮菌的研究較少。為了探明巨菌草體內(nèi)是否存在高效的固氮菌及其固氮機(jī)理,本研究通過純培養(yǎng)手段和分子生物學(xué)手段對(duì)福州巨菌草內(nèi)生固氮菌進(jìn)行了分離及生物學(xué)特性研究,以期揭示內(nèi)生固氮菌的特征,為豐富固氮微生物菌種資源庫(kù)和開發(fā)利用巨菌草內(nèi)生固氮菌提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    2014年3月,采于福建農(nóng)林大學(xué)后山貧瘠山坡荒地,采集生長(zhǎng)良好的巨菌草植株,立即用白封袋密封,帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

    1.2 培養(yǎng)基

    Dobereiner改良無氮培養(yǎng)基(簡(jiǎn)稱DN) [13]: Sucrose 10 g/L; Malicacid5g/L; K2HPO4·H2O2 0.2g/L;NaCl 0.1g/L; KH2PO4·H2O2 0.4 g/L; FeCl3 0.01g/L;Na2MoO4 0.002 g/L; MgSO4·7H2O 0.2 g/L(單獨(dú)滅菌);CaCl2·H2O 0.02 g/L(單獨(dú)滅菌);Agar 1.5%/L(固體);Agar 0.2%/L(半固體);pH調(diào)至7.0;NFb培養(yǎng)基[14];malic acid 5.0 g/L, K2HPO4 0.5 g/L; MgSO4·7H2O0.2 g/L; NaCl 0.1 g/L; CaCl2 0.02 g/L; bromthymolblue 0.5% (in KOH 0.2 mol/L)2.0 mL/L;

    vitaminsolution 1mL/L; micronutrient solution 2mL/L;1.64% Fe-EDTA solution 4mL/L; KOH4.5 g/L; pH調(diào)至6.8。其中vitamin solution. biotin 100 mg/L;pyridoxol-HCl:200 mg/L; micronutrient solution: CuSO4 0.4g/L; ZnSO4·7H2O 0.12 g/L; H2BO31.4g/L; Na2MoO4·2H2O 1.0g/L; MnSO4 1.5 g/L(固體培養(yǎng)基中加入Agar 15 g/L.半固體培養(yǎng)基中加入Agar 2-4 g/L);加碘反應(yīng)和觸酶反應(yīng)用LB固體培養(yǎng)基(LB液體培養(yǎng)基加瓊脂15g/L);內(nèi)生細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)作用用LB半固體培養(yǎng)基(胰蛋白胨10.0g/L,酵母提取物5.0g/L,氯化鈉10.0g/L,瓊脂5g/L):無機(jī)磷溶解PKO培養(yǎng)基(FeSO40.003 g/L,葡萄糖10g/L, Ca3(PO42 5.0 g/L,

    (NH42SO40.5 g/L, MnSO40. 03 g/L,0.03g MgSO4·7H2O/L, NaCl 0.2 g/L, KCl 0.2 g/L,酵母膏0.5 g/L,瓊脂20 g /L, pH值6.8-7.0。其中Ca3(PO42。過篩并單獨(dú)滅菌后與培養(yǎng)基混合);淀粉水解用培養(yǎng)基(可溶性淀粉2g/L,NaCl 5g/L,蛋白胨10g/L,牛肉膏5g/L,瓊脂15g/L,配好后調(diào)PH至7.0);明膠液化培養(yǎng)基(牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基1000mL/L,明膠12g/L,在水浴鍋中熔化混勻,調(diào)PH至7.2~7.4,121℃高壓滅菌,30 min):病原菌拮抗試驗(yàn)用PDA固體培養(yǎng)基(馬鈴薯葡萄糖瓊脂40.1 g/L)。

    1.3 菌株的分離、純化

    菌株的分離、純化[14];將采集的新巨菌草植物樣本先用自來水沖洗,然后用剪刀剪下根并分別置于已滅菌的2個(gè)培養(yǎng)皿中,接著用70%的乙醇(C2H2OH)處理5 min(除去根表面的腐爛物質(zhì)),無菌水洗滌多次,再用2%的次氯酸鈉(NaCIO)消毒2~3min,無菌水洗滌5~7次.每次5~10 min。最后將表面消毒完全的根用手術(shù)刀切碎,分別接種到3支裝有NFb半固體培養(yǎng)基的試管中,密封后,置于溫度為28℃,濕度為85%的人工培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。待24 h后,向管內(nèi)注入1%體積的乙炔氣體,在同樣條件的人工培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24 h,測(cè)定其固氮酶活性。將具有固氮活性的混合菌株接至固體NFb培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)。再挑取單菌落分別涂板直到得到純的菌株為止。

    1.4 內(nèi)生茵形態(tài)、培養(yǎng)特征

    取培養(yǎng)48 h的菌株進(jìn)行革蘭氏染色,觀察內(nèi)生菌的形態(tài)特征。

    1.5 氣相色譜法測(cè)定固氮酶活性

    固氮酶活性測(cè)定采用乙炔還原法[15]。將已純化的菌株再次接入盛有NFb半固體培養(yǎng)基的試管內(nèi),密封后,置于溫度為28℃,濕度為85%的人工培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。待24h后,向10mL試管內(nèi)注入1%體積的乙炔氣體,在同樣條件的人工培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24h,用SP-2100氣相色譜儀(北京分析儀器廠)測(cè)定其固氮酶活性。用下列公式計(jì)算固氮酶活性大小:N= (hx×C×V)/(hs×24.9×t),式中,hx為樣品峰值(峰面積);hs為標(biāo)準(zhǔn)C2H4峰值(峰面積);C為標(biāo)準(zhǔn)C2H4的濃度(nmol/mL);V為培養(yǎng)容器體積(mL);t為樣品的培養(yǎng)時(shí)間,即C2H4的反應(yīng)時(shí)間(h);N為產(chǎn)生的C2H4濃度(nmol/mL·h)。挑取固氮酶活性較高的樣品,用20%甘油于-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

    1.6 16S rDNA基因擴(kuò)增

    試劑盒抽提法提取內(nèi)生菌DNA。16S rDNA基因序列PCR擴(kuò)增引物為細(xì)菌通用引物,27F(5'AGAGTTTGATCATGGCTCAG-3')和1492R(5'-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3')進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系總體積為25μL,Taq Mix DNA聚合酶12.5μL,上游引物1μL,下游引物1μL,模板DNA1μL,去離子水10.5μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)?4℃預(yù)變性5min; 94℃變性30s,56℃退火90s,72℃延伸2min, 30個(gè)循環(huán);72℃延伸10min,4℃保存。反應(yīng)完成后用1%的瓊脂糖電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物。擴(kuò)增產(chǎn)物送華大基因生物技術(shù)有限公司測(cè)序。測(cè)序結(jié)果在GenBank (http://ncbi.nlm.nih.gov/blast)中進(jìn)行BLAST,選取與目標(biāo)菌株相似性較近的菌株序列,使用ClustalX軟件進(jìn)行同源性比對(duì);利用MEGA 5.2軟件采用鄰近法(neighbor-joiningmethod)聚類分析并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,設(shè)定Bootstrap為1000,初步確定菌株的分類地位。

    1.7 生物學(xué)特性

    運(yùn)動(dòng)性試驗(yàn)、觸酶試驗(yàn)、明膠液化試驗(yàn)、淀粉水解試驗(yàn)、溶磷能力等試驗(yàn)參照《微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》[16]進(jìn)行。

    1.8 促生實(shí)驗(yàn)

    將活化得到的單菌落采用LB液體培養(yǎng)基于28℃培養(yǎng)48h,培養(yǎng)得到的培養(yǎng)液(OD600=0.6).大麥生長(zhǎng)3~4 d后,每盆澆灌菌液15 mL,同時(shí)澆灌同樣祥體積的清水作為對(duì)照,15d后測(cè)量大麥的葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重等,計(jì)算菌株對(duì)大麥的促生作用。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 菌株形態(tài)、培養(yǎng)特征

    在固體LB培養(yǎng)基上28℃培養(yǎng)24h后,菌株fjg102形成乳白色不透明菌落,菌落近似圓形,邊緣整齊,中間有小突起,不分泌色素(圖1-A);fjg102菌體細(xì)胞為短桿狀,革蘭氏阻性(圖1-B)。

    2.2 分離純化及固氮酶活性的測(cè)定

    采用培養(yǎng)基培養(yǎng)法從巨菌草(圖1-C)根中分離純化得到一株內(nèi)生固氮菌菌株fjg102。對(duì)該菌株用乙炔還原法進(jìn)行固氮酶活性測(cè)定,其固氮酶活性值為270.20 nmol/mL·h,表明該菌株具有較強(qiáng)的固氮酶活性。

    2.3 16S rDNA序列分析及系統(tǒng)發(fā)育

    擴(kuò)增菌株16S rDNA約1500 bp長(zhǎng)度的擴(kuò)增產(chǎn)物,擴(kuò)增產(chǎn)物交華大基因有限公司進(jìn)行測(cè)序。將獲得的序列輸入到Genbank數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行BLAST比對(duì)。將相似性比較相近的模式菌株序列用MEGA5.2軟件,采用鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2-A)。結(jié)果表明,菌株fjg102與變棲克雷伯氏菌(Kleb-siella variicola)親緣關(guān)系較近.其序列相似性均為99%)。結(jié)合其形態(tài)及其生理生化特征將fjg102可歸為變棲克雷伯氏菌(Klebsiella variicola)。

    2.4 菌株的生理生化特性

    2.4.1 觸酶試驗(yàn)

    觸酶可以催化將過氧化氫分解成為水和氧的反應(yīng),觸酶的功能是將代謝過程產(chǎn)生的、具有毒性的過氧化氫除去,以保護(hù)細(xì)菌不被傷害。菌株fjg102觸酶反應(yīng)均為陽性(圖4),說明它們具有排除代謝中產(chǎn)生的過氧化氫的能力。

    2.4.2 溶磷圈的產(chǎn)生

    采用溶磷圈法菌株的溶磷性,巨菌草內(nèi)生菌fjg112菌株的周圍有溶磷圈出現(xiàn),溶磷能力檢測(cè)的結(jié)果表明,該菌株具有溶磷能力,溶磷能力D/d(透明圈得直徑與菌落的直徑的比值)為1.07,具有一定的溶磷能力(圖4)。

    2.4.3 運(yùn)動(dòng)性試驗(yàn)

    采用半固體培養(yǎng)基穿刺接種法,培養(yǎng)后觀察接種線及其周圍的生長(zhǎng)狀況,有動(dòng)力的細(xì)菌可在接種線周圍生長(zhǎng),造成模糊。無動(dòng)力的則接種線清晰可見,周圍無生長(zhǎng)。巨菌草內(nèi)生菌fjg102菌株的運(yùn)動(dòng)性檢測(cè)的結(jié)果表明,該菌株接種線清晰可見,說明該菌株不具有運(yùn)動(dòng)性能(圖5-A)。

    2.4.4 明膠液化試驗(yàn)

    某些細(xì)菌可產(chǎn)生一種胞外酶明膠酶,能使明膠分解為氨基酸,從而失去凝固力,半固體的明膠培養(yǎng)基成為流動(dòng)的液體。試驗(yàn)結(jié)果表明,菌株fjg102具有膠原酶,使明膠被分解,失去凝固能力,呈現(xiàn)液體狀態(tài),具有明膠液化現(xiàn)象(圖5-B)。

    2.4.5 拮抗真菌實(shí)驗(yàn)

    采用平板對(duì)峙法檢測(cè)菌株fjg102對(duì)病原真菌的抑制效果,結(jié)果表明fjg102菌株對(duì)稻瘟病菌Guy11和Ku70的抑菌率分別為40.25%和44. 30%,對(duì)病原真菌具有一定的拮抗作用。

    2.4.6 內(nèi)生固氮菌對(duì)大麥的促生作用

    將活化得到的單菌落采用LB液體培養(yǎng)基于28℃培養(yǎng)48h,培養(yǎng)得到的培養(yǎng)液(OD600=0.6)每盆澆灌15mL于生長(zhǎng)一周左右的大麥根部。15d后與未接種的對(duì)照相比,對(duì)大麥有明顯的促生作用(圖6)。其中葉長(zhǎng)增加37.26%,根長(zhǎng)增長(zhǎng)9.40%.根重增加66.16%,鮮重增加96.40%,干重增加80%(表1)。

    2.4.7 菌株對(duì)大麥的致病性分析

    將活化得到的單菌落采用LB液體培養(yǎng)基于28℃培養(yǎng)48h,培養(yǎng)得到的培養(yǎng)液(OD600=0.6),接培養(yǎng)菌液于生長(zhǎng)一周左右的大麥的葉片進(jìn)行離體接菌,每處理重復(fù)3次,5~7d后調(diào)查葉片發(fā)病情況并拍照。結(jié)果表明菌株fjg102對(duì)大麥葉片沒有致病性(圖7)。

    3 結(jié)論與討論

    內(nèi)生固氮菌定殖于植物內(nèi)部,在植物細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間隙、木質(zhì)部導(dǎo)管等進(jìn)行固氮及其它促生作用。內(nèi)生固氮菌不僅能為宿主植物提供氮營(yíng)養(yǎng)元素,而且還能促進(jìn)植物生長(zhǎng),增強(qiáng)植物的抗逆性,是一類具有巨大應(yīng)用潛力的微生物資源。自內(nèi)生菌研究以來,許多學(xué)者在不同的植物中分離到了不同種的內(nèi)生固氮菌。如胡文哲等[17]從廣西野生稻分離到了5個(gè)內(nèi)生固氮菌類群;劉天增等從狗牙根中分離到內(nèi)生固氮菌等。已有學(xué)者從水稻、甘蔗等植物中分離到了變棲克雷伯氏菌(Klebsiella variicola)。已有研究表明,固氮菌能在甘蔗根和地上部分組織內(nèi)生存和定殖,可以有效促進(jìn)甘蔗植株生長(zhǎng)和對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收[18-20]。劉璇等[21]分離的固氮菌具有解鉀能力。龔鳳娟等[22]分離的固氮菌具有較高的ACC脫氨酶活性。葛安輝發(fā)現(xiàn)與變棲克雷伯氏菌(Kleb-siella variicola)的相似性高達(dá)99%聯(lián)合固氮菌株,羧甲基纖維素和甘油的添加能顯著提高該菌株的固氮酶活性[23]。本研究以福建巨菌草的根為材料,采用不同的選擇性培養(yǎng)基進(jìn)行分離和純化,分離得到一株內(nèi)生固氮菌,經(jīng)16S rDNA系統(tǒng)發(fā)育分析,初步鑒定為變棲克雷伯氏菌(Klebsiella variicola),表明該內(nèi)生固氮菌具有較高的固氮酶活性。該菌株還具有溶磷性、觸酶反應(yīng)為陽性、明膠液化為阻性等生物學(xué)特性。因此,本研究分離得到的變棲克雷伯氏菌(Klebsiella variicola)菌株在菌肥方面具有非常好的應(yīng)用前景。

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