馮江鵬,邱莉萍,梁秀燕,陳碧秀,夏海洋,彭春龍,鐘永軍,*
(1.臺州學院 生物制藥研究所,浙江 臺州 318000; 2.臺州學院 生命科學學院,浙江 臺州 318000; 3.臺州市農(nóng)業(yè)科學研究院 生物技術(shù)研究所,浙江 臨海 317000)
草莓是重要的經(jīng)濟作物,在地方特色經(jīng)濟中占有重要的地位。草莓炭疽病是威脅草莓產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要病害之一,嚴重影響草莓的產(chǎn)量和品質(zhì),給我國的草莓產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失[1-2]。草莓炭疽病菌是典型的高溫高濕型病菌,28~32 ℃和90%以上的相對濕度是草莓炭疽病菌侵染的最適條件[3]。草莓栽培多以溫室大棚為主,草莓棚內(nèi)易形成高溫高濕的環(huán)境,利于草莓炭疽病發(fā)生。研究表明,草莓炭疽病的病原菌為炭疽菌屬的多種真菌,有膠孢炭疽菌(Colletotrichumgloeosporioides)、尖孢炭疽菌(Colletotrichumacutatum)、草莓炭疽菌(Colletotrichumfragariae)等[4]。不同地域的草莓炭疽病病菌的優(yōu)勢種不同,浙江省草莓炭疽病的優(yōu)勢病原菌為膠孢炭疽菌[5]。
目前,草莓炭疽病的防治主要依賴于化學藥劑,但化學藥劑的大量使用所帶來的藥物殘留問題、環(huán)境問題等,不利于我國農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展[6-7]。近年來,生物防治因其綠色、安全等特點,越來越為人們所關(guān)注。其中,芽孢桿菌是應用最為廣泛的生防菌,具有抗逆性強,生物安全性好等突出優(yōu)點。隨著生物防治措施的應用和推廣,篩選拮抗芽孢桿菌來防治草莓炭疽病也成為研究熱點。吉沐祥等[8]測定了枯草芽孢桿菌和蛇床子素對草莓炭疽病病菌的室內(nèi)抑菌活性,并結(jié)合田間試驗的結(jié)果,證實枯草芽孢桿菌可用于草莓炭疽病的防治。Nam等[9]從草莓葉片上分離到1株貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)NSB-1,發(fā)現(xiàn)其對草莓炭疽病具有潛在的防治效果。王美林等[10]研究發(fā)現(xiàn),1 000億·g-1枯草芽孢桿菌對草莓炭疽病的防治效力與25%多菌靈可濕性粉劑或450 g·L-1咪鮮胺水乳劑的防治效力相當。陳哲等[6]研究復合菌劑對草莓炭疽菌的防治效果時發(fā)現(xiàn),復合菌處理對于草莓炭疽病的防治效果為68.69%,比化學藥劑的防治效果提高了23.63%。谷春艷等[11]研究發(fā)現(xiàn),解淀粉芽孢桿菌WH1G對草莓炭疽病菌具有較強的抑制作用,當含菌量為1.0×1010mL-1時,抑制率達89%;將咪鮮胺(0.045 3 mg·L-1)與解淀粉芽孢桿菌WH1G(2.3×106mL-1)按5∶5配比使用時,對病菌抑制的增效作用和防治效果最好,防效達69.94%。
本研究從堆肥中分離對草莓膠孢炭疽菌具有顯著拮抗作用的菌株,通過生理生化試驗和分子技術(shù)對其進行鑒定,對其抗菌活性進行了初步研究,該研究為發(fā)掘膠孢炭疽菌引起的草莓炭疽病的生物防治菌株資源奠定了基礎。
LB培養(yǎng)基:蛋白胨10.0 g·L-1,酵母粉5.0 g·L-1,NaCl 10.0 g·L-1,瓊脂15.0 g·L-1(僅固體培養(yǎng)基),ddH2O 1 000 mL,pH 7.2~7.4;PDA培養(yǎng)基:馬鈴薯浸粉5.0 g·L-1,葡萄糖20.0 g·L-1,瓊脂14.0 g·L-1,ddH2O 1 000 mL,pH 7.0~7.4。
供試的膠孢炭疽菌(C.gloeosporioides)由臺州市農(nóng)業(yè)科學研究院提供。
1.2.1 芽孢桿菌的分離
稱取2.0 g土壤或堆肥樣品放入100 mL錐形瓶中,加入20 mL 0.9% NaCl溶液,搖勻后80 ℃水浴20 min。取上清液,以10倍稀釋制備5個稀釋梯度,吸取10-3~10-5稀釋梯度的稀釋液200 μL涂布LB固體培養(yǎng)基,倒置于30 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24~48 h。從LB平板上挑取形態(tài)不同的單菌落,反復劃線分離純化3次,挑取純化的菌落于LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h,加入甘油并將菌液保藏于-20 ℃冰箱。
1.2.2 拮抗芽孢桿菌篩選
采用平板對峙法篩選拮抗芽孢桿菌[12-13],具體如下:取一塊長滿膠孢炭疽菌菌絲的PDA平板,用6 mm打孔器制備菌餅,將菌餅轉(zhuǎn)接于PDA平板或LB平板的中央,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)1 d。利用十字交叉,在距離菌餅3 cm處的上下同時接種待測芽孢桿菌發(fā)酵上清液1.5 μL,在距離菌餅3 cm處的左右同時接種1.5 μL LB液體培養(yǎng)基作為對照,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng);隔天觀察,用游標卡尺測量草莓膠孢炭疽菌的生長,并計算菌絲生長抑制率。菌絲生長抑制率(%)=[(dc-dt)/dc]×100,其中,dc為對照組菌絲直徑,dt為芽孢桿菌處理組菌絲直徑。
1.2.3 抑菌試驗
制備發(fā)酵液:將待測芽孢桿菌接種于LB液體培養(yǎng)基,30 ℃、150 r·min-1搖床培養(yǎng)3 d。將菌液分裝于50 mL離心管中,12 000×g離心20 min,收集上清液并過0.22 μm無菌過濾器,4 ℃保藏待用。
無菌發(fā)酵上清液的抑制試驗參考張紊瑋等[13]的方法,具體如下:將JK3菌株的無菌發(fā)酵上清液按10%的比例混入50 ℃ LB固體培養(yǎng)基并倒平板,以混入10%比例的LB液體培養(yǎng)基作為對照;在LB平板中央接種草莓膠孢炭疽菌菌餅(直徑6 mm),設置3個平行。置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng),待對照組的草莓膠孢炭疽菌菌絲覆蓋平板3/4面積時,用游標卡尺記錄各個LB平板上的菌絲直徑,并計算無菌發(fā)酵上清對菌絲生長的抑制率。菌絲生長抑制率(%)=100×(dc-dt)/(dc-6),其中,dc為對照組菌絲直徑,dt為芽孢桿菌處理組菌絲直徑。
1.2.4 形態(tài)學與生理生化試驗測定
按照《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》[14]和《伯杰氏細菌鑒定手冊》[15]的方法對拮抗菌的形態(tài)和生理生化特征進行鑒定。
1.2.5 PCR擴增與序列測定
抽取待測菌株的基因組,用引物27F(5′-AGAGTTT GATCCTGGCTCAG-3′)和1492R(5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)進行PCR擴增其16S rDNA序列[16];用引物rpoB-f(5′-AGGTCAACTAGTTCAGTATGGAC-3′)和rpoB-r(5′-AAGAACCGTAACCGGCAACTT-3′)進行PCR擴增rpoB基因保守序列[17];用引物srfAF(5′-TCGGGACAGGAAGACATCAT-3′)和srfAR(5′-CCACTCAAACGGATAATCCTGA-3′)進行PCR擴增srfAA基因序列[18];用引物bmyBF(5′-GAATCCCGTTGTTCTCCAAA-3′)和bmyBR(5′-GCGGGTATTGAATGCTTGTT-3′)進行PCR擴增bymB基因序列[18];用引物bacAF(5′-CAGCTCATGGGAATGCTTTT-3′)和bacAR(5′-CTCGGTCCTGAAGGGACAAG-3′)進行PCR擴增bacA基因序列[18];用引物fenDF(5′-GGCCCGTTCTCTAAATCCAT-3′)和fenDR(5′-GTCATGCTGACGAGAGCAAA-3′)進行PCR擴增fenD基因序列[18];用引物ituCF(5′-GGCTGCTGCAGATGCTTTAT-3′)和ituCR(5′-TCGCAGATAATCGCAGTGAG-3′)進行PCR擴增ituC基因序列[18]。PCR擴增產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測后,將目的條帶所在膠塊切割并送至生物工程(上海)有限公司進行測序。利用NCBI網(wǎng)站的BLAST功能對所測的16S rDNA和rpoB序列進行同源性分析,確定親緣關(guān)系,最后使用MEGA 6.0軟件[19]的Neighbor-Joining法[20]構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.2.6 抑菌活性物質(zhì)的穩(wěn)定性分析
JK3發(fā)酵上清液抑菌活性物質(zhì)的穩(wěn)定性試驗參考孫平平等[21]和張紊瑋等[13]的方法,具體如下:
溫度穩(wěn)定性:將JK3菌株的無菌發(fā)酵上清分別置于25、40、50、60、70、80、90和100 ℃處理30 min,按5%的比例將不同溫度處理的無菌發(fā)酵上清混入PDA固體培養(yǎng)基并倒平板,以混入5%比例的LB培養(yǎng)基作為對照;向PDA平板接種膠孢炭疽菌菌餅,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng),待對照組的草莓膠孢炭疽菌菌絲覆蓋平板3/4面積時,用游標卡尺記錄各個PDA平板上的菌絲直徑,并計算菌絲生長抑制率。菌絲生長抑制率(%)=100×(dc-dt)/(dc-6),其中dc為對照組菌絲直徑,dt為芽孢桿菌處理組菌絲直徑。
pH穩(wěn)定性:用1 mol·L-1的NaOH或HCl,將10倍稀釋的JK3無菌發(fā)酵上清的pH分別調(diào)為2、3、4、5、6、7、8、9、10和11,靜置3 h后調(diào)回原上清液pH 7.5備用,用上述方法測定不同酸堿度對其抑菌活性的影響。
蛋白酶處理穩(wěn)定性:將胰蛋白酶、胃蛋白酶和蛋白酶K加入JK3無菌發(fā)酵上清液,控制體系中的蛋白酶濃度為20 U·mL-1,置于37 ℃水浴處理1 h,再用前述方法測定不同蛋白酶處理對其抑菌活性的影響。
1.2.7 離體草莓葉片防治試驗
草莓葉片準備:植物材料為炭疽易感品種紅頰,定植于溫室大棚。剪取離芯第2或第3片生長健康、大小相近的復葉,置于保鮮袋帶回,立即使用。用75%乙醇棉球輕輕擦拭葉片,保留葉柄2~3 cm。放置2片滅菌濕濾紙于直徑20 cm培養(yǎng)皿中,加入1%瓊脂塊,并將草莓葉柄插入瓊脂塊中培養(yǎng)。
膠孢炭疽菌孢子準備和接種:將活化培養(yǎng)后的膠孢炭疽菌接于液體培養(yǎng)基PDB中,28 ℃搖床培養(yǎng)2 d;用3層滅菌紗布過濾后收集分生孢子,通過血球計數(shù)板計數(shù)后用無菌水將其稀釋至105mL-1;以無菌水為對照,均勻噴至草莓葉片。每個處理組設置14份草莓葉片。
將JK3菌株的無菌發(fā)酵上清原液噴至草莓葉片表面,發(fā)酵上清原液噴施時間分別為膠孢炭疽菌孢子接種前24 h、同時(0 h)和接種后24 h,以噴施LB液體培養(yǎng)基作為對照。草莓葉片置于25 ℃光照培養(yǎng)箱培養(yǎng),8 h/12h(L/D),濕度85%,7 d后觀察記錄。草莓葉片病變面積比例(%)=病變面積/葉片總面積×100。草莓葉片病變面積防治率(%)=100×(a-b)/a,其中,a為對照組草莓葉片病變面積比例,b為發(fā)酵上清液處理組草莓葉片病變面積比例。
從堆肥等樣品中分離純化了204株芽孢桿菌,利用平板對峙法分別測定分離的芽孢桿菌對膠孢炭疽菌拮抗活性,其中12株具有明顯的拮抗活性,JK3菌株對膠孢炭疽菌的拮抗活性最強(圖1-A),固體平板上的菌絲生長抑制率為37.12%。
JK3菌株的發(fā)酵上清液對膠孢炭疽菌具有較強的抑制活性(圖1-B),原液(相當于終濃度稀釋10倍)處理組的膠孢炭疽菌幾乎不生長,菌絲生長抑制率達93.93%;終濃度稀釋100倍處理組,菌絲生長抑制率達到44.01%(圖1-C)。
用引物27F/1492R通過PCR擴增JK3菌株的16S rDNA并送測序,測序結(jié)果上傳GenBank(登錄號MN860072);并且在NCBI利用BLAST比對分析。結(jié)果顯示,JK3菌株與BacillusvelezensisXP-27、BacillusmethylotrophicusHB24和BacillusmethylotrophicusSY33序列最相近,同源性達到100%。用引物rpoB-f/rpoB-r擴增JK3菌株的rpoB基因保守序列并測序,測序結(jié)果上傳GenBank(登錄號MN746370)。用16S rDNA和rpoB基因序列分別構(gòu)建系統(tǒng)進化樹,結(jié)果顯示,JK3菌株的16S rDNA和rpoB保守序列均與貝萊斯芽孢桿菌聚為一支(圖2)。
根據(jù)《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》和《伯杰氏細菌鑒定手冊》,按照芽孢桿菌分類要求,對JK3菌株進行產(chǎn)酶、碳源利用等生理生化特性分析,結(jié)果見表1。JK3能利用山梨醇、D-果糖、纖維二糖、甘油、葡萄糖、蔗糖、淀粉和乳糖,而不能利用D-木糖、半乳糖和鼠李糖;能耐受10% NaCl,并且過氧化氫酶試驗、尿素酶試驗、淀粉水解試驗、明膠液化試驗和V-P試驗呈陽性(表1)。主要生理生化特性與近源的貝萊斯芽孢桿菌相似(表1)。
A,基于16S rDNA部分序列構(gòu)建的系統(tǒng)進化樹;B,基于rpoB基因保守序列構(gòu)建的系統(tǒng)進化樹。系統(tǒng)進化樹采用鄰接法構(gòu)建;分支數(shù)表示1 000次Bootstrap重抽樣分析的支持百分比,圖例0.05和0.01為遺傳距離。Phylogenetic tree constructed based on 16S rDNA partial sequence (A) and rpoB gene conservative sequence (B). The phylogenetic tree was generated using the Neighbor-Joining method. The number of branches indicated the percentage of support for 1 000 bootstrap resampling analysis, the legend 0.05 and 0.01 were the genetic distance.圖2 基于16S rDNA序列和rpoB基因保守序列構(gòu)建的JK3菌株與相近典型菌株的系統(tǒng)進化樹Fig.2 Phylogenetic tree constructed based on the 16S rDNA partial sequence and rpoB gene conservative sequence of the isolate JK3 and other related typical strains
表1JK3菌株的生理生化試驗
Table 1 Physiological and biochemical characteristics of the isolate JK3
測定指標TestB. velezensisJK3B. velezensisFZB4210% NaCl++革蘭氏染色Gram staining++山梨糖醇Sorbitol+—D-果糖D-Fructose+—D-木糖D-Xylose--纖維二糖Cellobiose +—甘油Glycerol +—葡萄糖Glucose ++蔗糖Sucrose++淀粉Starch ++半乳糖Galactose-—鼠李糖Rhamnose-+乳糖Lactose ++吲哚試驗Indole test-+V-P試驗Voges-Proskauer++甲基紅試驗Methyl red test-—過氧化氫酶Catalase++淀粉水解Starch hydrolysis++脲酶Urease+—檸檬酸鹽利用Citrate utilization-+明膠水解Gelatin hydrolysis+—
-,陰性;+,陽性;—,未見報道.
+, Positive reaction; -, Negative reaction; —, No report.
綜合JK3菌株的分子特性和生理生化試驗結(jié)果,將JK3菌株定為貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusveleznsis),命名為貝萊斯芽孢桿菌JK3 (B.velezensisJK3)。
圖3顯示,JK3發(fā)酵上清液的噴施時間對防治效果有顯著影響。在接種膠孢炭疽菌孢子前24 h或接種膠孢炭疽菌孢子的同時噴施JK3的發(fā)酵上清液,防治效果明顯,分別達到95.68%和98.99%;而在膠孢炭疽菌孢子接種后24 h噴施發(fā)酵上清液,則防治效果差,僅有11.5%。因此,認為JK3菌株發(fā)酵上清液對膠孢炭疽菌引起的草莓炭疽病有比較好的預防作用,但治療作用稍差。
A,噴施JK3發(fā)酵上清后的代表性草莓葉片;B,草莓葉片病變面積防治率。-24 h表示接種膠孢炭疽菌孢子前24 h噴施JK3發(fā)酵上清液;0 h表示與接種膠孢炭疽菌孢子同時噴施JK3發(fā)酵上清液;+24 h表示接種膠孢炭疽菌孢子后24 h噴施JK3發(fā)酵上清液。A, Representative lesions on strawberry leaves after treatment with JK3 fermented liquid; B, Inhibition rate of lesion area on strawberry leaves.-24 h, Spraying JK3 fermented liquid 24 h before inoculation with spore suspension of C. gloeosporioides; 0 h, Simultaneous inoculation with spraying JK3 fermented liquid;+24 h, Spraying JK3 fermented liquid 24 h after inoculation.圖3 離體草莓葉片試驗檢測JK3發(fā)酵上清液對膠孢炭疽菌的防治效果Fig.3 Inhibitory effect of JK3 fermented liquid on C. gloeosporioides on detached strawberry leaves
為了初步探索JK3菌株產(chǎn)生的抗菌活性物質(zhì)種類,分別測定了JK3菌株發(fā)酵上清液的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性,以及對蛋白酶(胃蛋白酶、胰蛋白酶和蛋白酶K)等的穩(wěn)定性。結(jié)果(圖4)表明:JK3菌株發(fā)酵上清液pH穩(wěn)定性好;對50 ℃以上高溫略敏感,處理30 min抑菌活性仍然能保留70%以上;胃蛋白酶、胰蛋白酶和蛋白酶K處理后,發(fā)酵上清液的菌絲生長抑制活性幾乎不受影響,推測JK3產(chǎn)生的主要活性物質(zhì)可能是非蛋白質(zhì)類的小分子物質(zhì),也有可能產(chǎn)生類似其他芽孢桿菌的脂肽類物質(zhì)。
由于芽孢桿菌脂肽類物質(zhì)合成基因比較保守,利用芽孢桿菌脂肽合成基因檢測引物,以JK3基因組DNA為模板進行PCR擴增,結(jié)果顯示,能擴增出Surfactin合成相關(guān)基因srfAA、Bacillomycin合成相關(guān)基因bymB、Bacillysin合成相關(guān)基因bacA、Fengycin合成相關(guān)基因fenD、iturin A合成相關(guān)基因ituC預期大小片段(圖5)。測序結(jié)果顯示,擴增出的DNA片段均為預期的基因片段。用NCBI中的BLAST比對分析,結(jié)果顯示,克隆出的基因序列均與來源于貝萊斯芽孢桿菌的相關(guān)基因高度同源,表明該菌株具有合成多種脂肽類抗菌物質(zhì)的能力,推測這些脂肽類物質(zhì)對草莓膠孢炭疽菌具有抑菌活性。
圖4 溫度(A)、pH(B)和蛋白酶(C)對發(fā)酵上清抑菌活性影響Fig.4 Effect of different temperatures (A), pH (B) and proteases(C) on inhibitory stability of JK3 sterile fermented liquid against C. gloeosporioides
M,DNA標準分子質(zhì)量。M, DNA marker.圖5 JK3菌株脂肽合成酶基因PCR凝膠電泳檢測結(jié)果Fig.5 Detection of lipopeptide biosynthesis genes in the isolate JK3 by PCR
芽孢桿菌分類向來略有爭議,2016年,Dunlap等[23]利用全基因組比較對貝萊斯芽孢桿菌、甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌植物亞種的分類地位進行研究,認為甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌植物亞種與貝萊斯芽孢桿菌互為同物異名。貝萊斯芽孢桿菌屬于枯草芽孢桿菌群,鑒于16S rDNA序列在分類上的分辨率問題[22],本文利用rpoB基因和16S rDNA聯(lián)合分析,結(jié)合生理生化試驗結(jié)果,將JK3菌株鑒定為貝萊斯芽孢桿菌。
報道顯示,貝萊斯芽孢桿菌分布廣泛,在河水、農(nóng)作物土壤、魚類腸道、植物組織和根際,以及野牦牛牛糞等不同生境中均有發(fā)現(xiàn),并且報道的貝萊斯芽孢桿菌多表現(xiàn)出促植物生長和防治植物病害的作用[22]。本文從堆肥中分離到1株對草莓膠孢炭疽菌具有顯著拮抗效果的貝萊斯芽孢桿菌JK3,利用離體草莓葉片測試膠孢炭疽菌引起的草莓炭疽病防治試驗,發(fā)現(xiàn)JK3發(fā)酵上清液對草莓膠孢炭疽菌引起的草莓炭疽病有較好的保護作用,但治療效果稍差。因此,使用JK3菌株可以用于預防由膠孢炭疽菌引起的草莓炭疽病。由于浙江省草莓炭疽病主要病原菌為膠孢炭疽菌,本文僅測試了JK3對膠孢炭疽菌的拮抗,后一步應該廣泛收集植物病原菌,進行JK3抗菌譜試驗,明確其可能的作用范圍。
室內(nèi)毒力測定顯示,稀釋10倍的無菌發(fā)酵上清液對膠孢炭疽病菌菌絲生長抑制率達到93%,顯示良好的應用潛力。但室內(nèi)毒力測定結(jié)果不一定與田間防效成正比,離體葉片接種試驗展示了應用潛力,但由于離體葉片抗病性明顯降低,可能與活體效果會有差異。因此,后續(xù)需要進一步利用盆栽試驗來驗證防治效果。芽孢桿菌類產(chǎn)品通常以芽孢的形式進行銷售和使用,芽孢桿菌的定殖和原位拮抗決定防治效果,后續(xù)試驗需要研究JK3在草莓葉面的定殖。本文僅測試了代謝產(chǎn)物的作用效果,如果菌體定殖和代謝產(chǎn)物能夠發(fā)生協(xié)同作用,將顯著提高JK3的應用效果。
本試驗利用脂肽合成基因引物對JK3菌株的基因組進行掃描,檢測到了Surfactin、Bacillomycin、Bacillysin、Fengycin和iturin A的合成相關(guān)基因片段,顯示JK3菌株具有合成多種脂肽類物質(zhì)的能力。初步試驗顯示JK3產(chǎn)生的主要抑菌物質(zhì)對溫度、pH和蛋白酶穩(wěn)定,顯示JK3菌株具有進一步研究的潛力。由于芽孢桿菌的抗菌物質(zhì)是當前芽孢桿菌研究領域的熱點之一,而貝萊斯芽孢桿菌顯示了開發(fā)成生防制劑的潛力,并且本文研究的JK3菌株對草莓膠孢炭疽菌引起的草莓炭疽病顯示出良好的防治效果。因此,JK3研究可以為進一步發(fā)掘防治草莓炭疽病生防菌資源奠定基礎。