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    拮抗放線菌菌株FS-4發(fā)酵工藝篩選

    2020-03-23 06:07:38段雅婕梅志剛孫德權(quán)李偉明龐振才胡會(huì)剛
    熱帶作物學(xué)報(bào) 2020年2期
    關(guān)鍵詞:放線菌發(fā)酵液碳源

    段雅婕 梅志剛 孫德權(quán) 李偉明 龐振才 胡會(huì)剛

    摘? 要:FS-4是1株對(duì)香蕉枯萎病菌有較好拮抗作用的放線菌。以高氏一號(hào)培養(yǎng)基為基礎(chǔ),通過單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化,對(duì)FS-4菌株的發(fā)酵工藝進(jìn)行篩選。結(jié)果表明:0.5%蛋白胨,2.4%蔗糖,0.05%的磷酸氫二鉀、氯化鈉和硫酸鎂,發(fā)酵溫度28?℃,初始pH為7為最佳培養(yǎng)基配方及最優(yōu)發(fā)酵條件。發(fā)酵62 h后,發(fā)酵液中抑菌物質(zhì)活性達(dá)到最高水平,對(duì)香蕉枯萎病菌的抑菌圈直徑達(dá)到27.1 mm。

    關(guān)鍵詞:放線菌菌株FS-4;發(fā)酵工藝;響應(yīng)面法

    中圖分類號(hào):Q949.748.5????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    Abstract: The screening of antagonistic bacteria from soil microorganisms in the areas with banana Fusarium wilt is of great practical significance for controlling this disease. In this report, a strain, designated FS-4, was isolated from healthy banana rhizosphere soil in the area affected by Fusarium wilt. Based on Gauses No. 1 synthetic medium, the optimization of medium, single factor experiments and response surface experiments were conducted to maximize the production of the antibacterial substances of actinomycete FS-4. The best fermentation medium and fermentation conditions were as follows: sucrose 2.4%, peptone 0.5%, K2HPO4 0.05%, NaCl 0.05%, MgSO4 0.05%, fermentation temperature 28 ℃, initial pH 7. Under the conditions, the inhibition zone diameter of actinomycete FS-4 fermentation filtrate reached 27.1 mm on the test plates of Bacillus subtilis after 62 h incubation

    Keywords: actinomycetes FS-4; fermentation conditions; response surface method

    由尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum f. sp. cubense)侵染引起的枯萎病是香蕉種植中的毀滅性病害,對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要影響[1]??共∮N、化學(xué)農(nóng)藥、輪作等方法在對(duì)香蕉枯萎病的防治中均存在不同的缺陷,難以規(guī)?;茝V應(yīng)用。利用包括拮抗微生物在內(nèi)的生物防治方法具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前該類病害防治研究中的熱點(diǎn)[2]。FS-4是本團(tuán)隊(duì)從香蕉枯萎病發(fā)病田土壤中分離篩選出的1株放線菌,其對(duì)香蕉枯萎病菌具有較好拮抗作用[3-4]。

    本團(tuán)隊(duì)采用16S rDNA 序列分析其放線菌為曼尼普爾鏈霉菌(Streptomyces manipurensis),命名為曼尼普爾鏈霉菌FS-4(Streptomyces manipurensis FS-4)[3-4]。采用國(guó)際鏈霉菌規(guī)劃中的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基(1976),28?℃培養(yǎng)7~21 d,觀察FS-4菌株培養(yǎng)特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn):FS-4菌株能使硝酸鹽還原,淀粉水解,能產(chǎn)生H2S、黑色素、尿素酶和酪氨酸酶,但不能使明膠液化、牛奶胨化與凝固。生長(zhǎng)pH范圍為5.0~10.0,最適生長(zhǎng)pH為7.0。最適生長(zhǎng)溫度為28~32?℃,不能生長(zhǎng)在NaCl含量大于3%的培養(yǎng)基。FS-4菌株對(duì)香蕉枯萎病1號(hào)(Foc 1)和4號(hào)(Foc 4)小種均有拮抗作用,對(duì)香蕉枯萎病菌1號(hào)小種的拮抗性較弱,顯著低于香蕉枯萎病菌4號(hào)小種,2者的抑菌帶寬度分別為12.07和15.12 mm。

    菌株FS-4在人工培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)緩慢,制約了相關(guān)研究工作的進(jìn)行。響應(yīng)面分析法通過研究響應(yīng)輸出結(jié)果與影響因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模式,經(jīng)由設(shè)計(jì)者在所關(guān)心的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)以系統(tǒng)的方式進(jìn)行試驗(yàn),最終得到所設(shè)想的響應(yīng)值和影響因子變化趨勢(shì),是一類包含了數(shù)學(xué)應(yīng)用、統(tǒng)計(jì)處理和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析工具[5],近年來在微生物發(fā)酵工藝研究中得到廣泛應(yīng)用。為更好地開展FS-4拮抗作用機(jī)理及其田間應(yīng)用研究,本研究采用響應(yīng)面分析法開展FS-4菌株的發(fā)酵工藝篩選研究。

    1? 材料與方法

    1.1? 材料

    拮抗放線菌菌株FS-4和香蕉枯萎病菌菌株Foc 4由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所提供。高氏1號(hào)培養(yǎng)基和營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基參照王小琴等[6]的方法制備,相關(guān)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

    1.2? 方法

    1.2.1? 菌株發(fā)酵和拮抗活性評(píng)價(jià)? 參照段雅婕等[3]和柯春亮等[4]的方法進(jìn)行。

    1.2.2? 液體發(fā)酵培養(yǎng)基及發(fā)酵條件的單因素分析[7-11]? 以高氏1號(hào)培養(yǎng)基為基礎(chǔ),分別以不同碳源(葡萄糖、蔗糖、玉米粉、乳糖)代替基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的碳源(可溶性淀粉)。制備無菌發(fā)酵濾液后,采用牛津杯法評(píng)價(jià)拮抗物質(zhì)活性。獲得最佳碳源后,將含量調(diào)整為1%、2%、3%、4%和5%,篩選出最佳含量。在明確最佳碳源及其含量后,以0.1%的硫酸銨、硝酸鈉、酵母粉、蛋白胨代替原基礎(chǔ)培養(yǎng)基中硝酸鉀,篩選出最佳氮源。將最佳氮源含量調(diào)整為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,確定最佳含量。

    將氯化鈉、磷酸氫二鉀和硫酸鎂含量分別調(diào)為0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.125%,篩選出最佳含量。設(shè)置培養(yǎng)基初始pH為 5、6、7、8和9,發(fā)酵溫度為22、25、28、31和34?℃,發(fā)酵時(shí)間為48、72、96、120和144 h,分別篩選出最佳參數(shù)。

    1.2.3? 響應(yīng)面分析法優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基及發(fā)酵條件? 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取蔗糖、蛋白胨、時(shí)間作為考察因素,以抑菌圈大小為響應(yīng)值,采用3因素3水平對(duì)放線菌FS-4最佳發(fā)酵條件進(jìn)行響應(yīng)面分析(表1)[12]。

    1.3? 數(shù)據(jù)處理

    利用Design-Expert軟件進(jìn)行3因素3水平的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。所有實(shí)驗(yàn)均為3次重復(fù),使用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)方差分析。

    2? 結(jié)果與分析

    2.1? 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    2.1.1? 碳源種類及含量對(duì)放線菌FS-4產(chǎn)抑菌物質(zhì)的影響? 以高氏一號(hào)培養(yǎng)基為基礎(chǔ)進(jìn)行碳源的優(yōu)化[13],分別以蔗糖、乳糖、玉米粉、葡萄糖、可溶性淀粉作為碳源。結(jié)果表明,以蔗糖為碳源的培養(yǎng)基,發(fā)酵液的抑菌圈直徑最大達(dá)到20.5 mm,表明蔗糖最有利于放線菌FS-4產(chǎn)生抑菌物質(zhì)(圖1)。在對(duì)蔗糖5個(gè)不同濃度處理的評(píng)價(jià)中,發(fā)現(xiàn)含量為2%時(shí),發(fā)酵液產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)活性最強(qiáng)(圖2)。

    2.1.2? 氮源種類及濃度對(duì)放線菌FS-4產(chǎn)抑菌物質(zhì)的影響? 以高氏1號(hào)培養(yǎng)基為基礎(chǔ),進(jìn)行了5種氮源的篩選[14-15]。以蛋白胨為碳源時(shí),抑菌圈直徑最大,效果最好(圖3),而且當(dāng)?shù)鞍纂撕繛?.4%時(shí),發(fā)酵液的抑菌物質(zhì)活性最高(圖4)。

    不同小寫字母表示差異分析達(dá)到5%顯著水平。

    2.1.3? 氯化鈉、磷酸氫二鉀、硫酸鎂含量對(duì)放線菌FS-4產(chǎn)抑菌物質(zhì)的影響? 在高氏1號(hào)培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上進(jìn)行了無機(jī)鹽濃度的優(yōu)化,結(jié)果表明,3種無機(jī)鹽的不同濃度對(duì)放線菌FS-4抑菌物質(zhì)的活性影響不大(圖5)。

    不同小寫字母表示差異分析達(dá)到5%顯著水平。

    2.1.4? 初始pH、發(fā)酵溫度、時(shí)間對(duì)放線菌FS-4產(chǎn)抑菌物質(zhì)的影響? 圖中抑菌圈的直徑反映發(fā)酵液中抑菌物質(zhì)的活性。篩選結(jié)果表明,初始pH在6~8、發(fā)酵溫度在22~31?℃范圍內(nèi),無菌發(fā)酵液拮抗物質(zhì)活性活性最高,而48 h為發(fā)酵最適時(shí)間(圖6,圖7和圖8)。

    2.2? 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果及分析

    2.2.1? 響應(yīng)面結(jié)果? 如表2所示,本研究對(duì)17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析。其中,12個(gè)點(diǎn)是析因點(diǎn),5個(gè)點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)號(hào)分別為1、5、8、10和17)用于計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差的中心實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

    對(duì)回歸方程模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示?;貧w方程模型極顯著,表明模型建立可信。模型的決定系數(shù)為0.9604,表明3.96%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不適合預(yù)測(cè)模型。模型的校正系數(shù)為0.9094,說明模型擬合程度良好,只有9.06%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性不能解釋。失擬項(xiàng)的P值是0.4386,不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,說明模型不需要引入更高次數(shù)的項(xiàng)。一次項(xiàng)A和C,二次項(xiàng)C2都達(dá)到極顯著水平,交互項(xiàng)AC,二次項(xiàng)A2都達(dá)到顯著水平。還可以得知3個(gè)因素對(duì)抑菌圈直徑大小的影響順序?yàn)椋旱鞍纂?蔗糖>時(shí)間。

    2.2.3? 響應(yīng)面的分析與優(yōu)化[17-18]? 根據(jù)建立的回歸模型得到響應(yīng)曲面圖(圖9)。當(dāng)時(shí)間一定時(shí),抑菌圈的直徑隨著蛋白胨和蔗糖含量的增加而變大,蛋白胨比蔗糖對(duì)抑菌圈直徑影響更大,兩者的交互作用不明顯。蔗糖含量在2.50%~3.00%,蛋白胨含量在0.45%~0.50%范圍內(nèi),抑菌圈的直徑達(dá)到最大(圖9)。

    當(dāng)蔗糖含量和時(shí)間一定時(shí),抑菌圈的直徑與蛋白胨含量成正相關(guān),而蔗糖和蛋白胨含量一定時(shí),抑菌圈的直徑隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小,兩者交互作用明顯。時(shí)間在56~64 h內(nèi),蛋白胨含量在0.45%~0.50%范圍內(nèi),抑菌圈的直徑達(dá)到最大(圖10)。

    當(dāng)?shù)鞍纂撕亢蜁r(shí)間一定時(shí),抑菌圈的直徑與蔗糖含量成正相關(guān),但增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩。當(dāng)蔗糖和蛋白胨含量一定時(shí),抑菌圈的直徑隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小,說明超過一定發(fā)酵時(shí)間后,發(fā)酵液中抑菌物質(zhì)活性會(huì)降低,且蔗糖和蛋白胨交互作用不明顯。時(shí)間在56~64 h內(nèi),蛋白胨含量在2.50%~3.00%范圍內(nèi),抑菌圈的直徑達(dá)到最大(圖11)。

    2.2.4? 放線菌FS-4發(fā)酵培養(yǎng)基及發(fā)酵條件的優(yōu)化和可靠性驗(yàn)證? 通過Design-Expert V8.0.6軟件分析得到最佳條件為:蛋白胨含量0.5%,蔗糖2.37%,時(shí)間62.04 h。在此條件下,抑菌圈的理論直徑為27.46 mm。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作,將條件修正為蛋白胨濃度0.5%,蔗糖濃度2.4%,時(shí)間62 h。實(shí)際得到抑菌圈直徑27.1 mm,與預(yù)測(cè)理論值相近。因此,得出的最佳條件具有較好的實(shí)用價(jià)值。

    3? 討論

    抗菌活性物質(zhì)通常作為拮抗放線菌發(fā)揮生物防治作用的物質(zhì)基礎(chǔ),其產(chǎn)量的高低影響著抑菌的實(shí)際效果[15, 19]。發(fā)酵是獲得大量微生物活性代謝產(chǎn)物的基礎(chǔ),微生物代謝產(chǎn)物的類型和產(chǎn)量與其培養(yǎng)條件,如培養(yǎng)基中的碳源、氮源、pH等密切相關(guān)[20-21],因此,探索出適宜的培養(yǎng)條件尤為關(guān)鍵。研究表明,不同培養(yǎng)基配方對(duì)菌株抑菌活性有較大影響[22-23]。程沁園等[24]研究的放線菌菌株WB-F以葡萄糖為碳源,黃豆粉為氮源時(shí),單體積發(fā)酵液抑菌直徑提高了23.1%。朱宏建等[25]發(fā)現(xiàn)的放線菌菌株ND045在碳源為蔗糖、氮源為大豆粉時(shí),菌株發(fā)酵濾液對(duì)辣椒尖孢炭疽病菌(Colletotrichum acutata)的抑菌率為35.2%。另外,發(fā)酵時(shí)間對(duì)放線菌FS-4產(chǎn)抑菌物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響。在本研究中,由圖8可知24 h的發(fā)酵液里已有抑菌物質(zhì),當(dāng)發(fā)酵48 h后,抑菌圈直徑不再增加,說明放線菌FS-4基本停止產(chǎn)生抑菌物質(zhì)或者抑菌物質(zhì)的活性下降。

    發(fā)酵工藝中的每一步、每個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。傳統(tǒng)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)等手段優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝,實(shí)驗(yàn)工作量較大,結(jié)果也不全面。而響應(yīng)面法能很好地對(duì)影響發(fā)酵工藝過程中的培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件等進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)價(jià)[26]。本研究采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)酵條件的優(yōu)化,與優(yōu)化前相比,菌株FS-4抑菌直徑增加了26.1%。不同發(fā)酵條件對(duì)菌株發(fā)酵液抑菌活性有一定影響。本研究得到菌株FS-4最優(yōu)發(fā)酵條件為:蛋白胨0.5%,蔗糖2.4%,時(shí)間62 h,發(fā)酵溫度28?℃,發(fā)酵pH為7,磷酸氫二鉀、氯化鈉和硫酸鎂為0.05%。這與莫坤聯(lián)[27]從抗香蕉枯萎病菌放線菌BWL58及BWL15-4菌株的最優(yōu)發(fā)酵條件存在一定差異,其原因可能是不同菌株對(duì)于發(fā)酵過程中各理化因素需求不同的表現(xiàn),也可能是生理代謝途徑因菌種差異的體現(xiàn)。

    微生物發(fā)酵是個(gè)動(dòng)態(tài)的生物學(xué)過程,培養(yǎng)基中各養(yǎng)分含量、pH、容氧量和產(chǎn)物量一直處于不斷變化,不同因素的變化會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量均有較大的影響[27]。本研究?jī)H考慮了發(fā)酵前的培養(yǎng)基狀態(tài)和培養(yǎng)條件,未對(duì)發(fā)酵過程各因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,在后續(xù)的研究中,應(yīng)采用生物化學(xué)分子生物學(xué)等方法對(duì)目標(biāo)菌株的代謝動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行深入研究,探討培養(yǎng)基的各養(yǎng)分含量與目標(biāo)活性物質(zhì)產(chǎn)量及培養(yǎng)條件之間的關(guān)系,進(jìn)而提高目標(biāo)活性物質(zhì)的產(chǎn)率。

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