呂 昂,吳明德,張靜,楊龍,李國(guó)慶*
(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所,武漢 430064;2.農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量與安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430064;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,武漢 430070)
鏈霉菌Streptomyces是自然界中分布廣泛的一類放線菌,目前發(fā)現(xiàn)的鏈霉菌主要來(lái)源于土壤,在海洋、空氣、植物內(nèi)部同樣也發(fā)現(xiàn)了多種鏈霉菌[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)有已知的90%活性物質(zhì)來(lái)源于鏈霉菌[5]。在農(nóng)業(yè)上,源于鏈霉菌的殺菌劑有米多霉素、有效霉素、武夷菌素、諾沃霉素等[6-9];殺蟲(chóng)劑有阿維菌素、多殺菌素等[10,11];除草劑有雙丙氨磷、Herboxidiene等[12,13]。鏈霉菌還可以產(chǎn)生一些有益于植物生長(zhǎng)的小分子化合物或酶類,如植物生長(zhǎng)激素類化合物、幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶等[14-16]。在植物病蟲(chóng)害的生物防治中,主要應(yīng)用的是鏈霉菌的活菌劑和發(fā)酵液及提取物[17]。目前,成功開(kāi)發(fā)為商品制劑的鏈霉菌活菌劑有灰綠鏈霉菌Streptomycesgriseoviridis(Mycostop?)[18]和龜裂鏈霉菌S.rimosus(Rhizovit?)[19],我國(guó)的涇陽(yáng)鏈霉菌菌肥5406也被廣泛使用[20]。前人研究發(fā)現(xiàn)白黃鏈霉菌S.alboflavusTD-1發(fā)酵液可以抑制灰霉病菌的孢子萌發(fā),提高番茄苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)、過(guò)氧化物酶(POD)的酶活力,從而促進(jìn)番茄更好地抵御植物病原真菌[21],唐德鏈霉菌S.tendaeXJ193發(fā)酵液對(duì)草莓灰霉病菌、桃褐腐病菌、黃瓜枯萎病菌等多種植物病原真菌具有明顯的抑菌活性[22],鏈霉菌LA-5發(fā)酵液對(duì)番茄果實(shí)灰霉病的防效可達(dá)83.4%[23]。
鏈霉菌3-10屬于嗜酸鏈霉菌類群,鏈霉菌3-10的發(fā)酵液對(duì)灰霉病菌、油菜菌核病菌、立枯絲核菌等植物病原真菌具有良好的抑制作用[24],使用菌株 3-10孢子液灌根后可抑制油菜根腫病的發(fā)生[25]。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn),菌株3-10抗真菌物質(zhì)粗提物對(duì)多種植物病原真菌有抑制作用,對(duì)多種真菌引起的草莓貯藏期腐爛病有防治作用[26]。因此,鏈霉菌 3-10的代謝產(chǎn)物和活菌均具有開(kāi)發(fā)成為生防產(chǎn)品的潛力。但是,目前對(duì)于菌株3-10提取物在環(huán)境中的穩(wěn)定性沒(méi)有報(bào)道。本研究主要通過(guò)提取物對(duì)灰霉病菌的抑菌活性試驗(yàn),篩選一種能高效地將無(wú)菌發(fā)酵液中的抑菌成分提取出來(lái)的有機(jī)溶劑,研究外界環(huán)境(溫度、酸堿、紫外線)及提取物所處狀態(tài)(液態(tài)、干粉)對(duì)抑菌活性的影響,為實(shí)際應(yīng)用鏈霉菌3-10及其提取物提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
菌株:灰霉病菌BotrytiscinereaB05.10和鏈霉菌菌株Streptomycessp.3-10保存于本實(shí)驗(yàn)室。
馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA):去皮馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,瓊脂粉15 g,蒸餾水定容至1000 mL;馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)液(PDB):去皮馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,蒸餾水定容至1000 mL;ISP-2培養(yǎng)基:酵母浸膏4 g,麥芽提取物10 g,葡萄糖4 g,瓊脂粉15 g,pH調(diào)節(jié)至6.0左右,蒸餾水定容至1000 mL。上述培養(yǎng)基分裝后于121 ℃滅菌20 min,備用。
試劑:乙酸乙酯、正丁醇、三氯甲烷、四氯化碳、石油醚、環(huán)己烷、濃鹽酸、氫氧化鈉均為國(guó)藥試劑分析純級(jí)(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。
儀器:R-250 Rotavapor? 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士Büchi),生化培養(yǎng)箱HP400S型(武漢瑞華儀器設(shè)備有限責(zé)任公司),pH計(jì)(型號(hào) Delta 320,德國(guó) Mettler-Toledo),真空冷凍干燥機(jī)(北京松源華興科技發(fā)展有限公司)。
將鏈霉菌3-10劃線于ISP-2培養(yǎng)基,28 ℃培養(yǎng)5 d后加適量無(wú)菌水用接種環(huán)刮洗菌落表面,三層擦鏡紙過(guò)濾、稀釋后得到孢子懸浮液(濃度1×109孢子/mL),將所得到的孢子懸浮液以1%體積比接種到PDB培養(yǎng)液中,在28 ℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)3 d,得到鏈霉菌的發(fā)酵液。將發(fā)酵液以8000 r/min離心10 min,上清液用0.22 μm細(xì)菌過(guò)濾器過(guò)濾,得到無(wú)菌發(fā)酵液。
選取極性不同的正丁醇、乙酸乙酯、三氯甲烷、四氯化碳、石油醚和環(huán)己烷作為提取溶劑,從鏈霉菌3-10發(fā)酵液中提取抗真菌物質(zhì),通過(guò)測(cè)定提取物(有機(jī)相)和發(fā)酵液中殘留的抗真菌物質(zhì)(水相)的生物活性比較不同溶劑的提取效果。具體操作程序:將500 mL無(wú)菌發(fā)酵液分別與500 mL不同的提取溶劑混合,超聲波提取10 min、置于搖床150 r/min振蕩培養(yǎng)10 min,靜置12 h,使混合液分層,用梨型分液漏斗分液,分別收集提取后的水相和有機(jī)相,將提取后的水相置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中,在40 ℃下減壓蒸餾,以除去其中殘留的有機(jī)溶劑。將各溶劑提取后的有機(jī)相置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中,在40 ℃下減壓蒸餾至干燥,用5 mL甲醇溶解,將其作為抗菌物質(zhì)提取物,用蒸餾水稀釋50倍,采用帶毒平板法測(cè)定抗真菌活性。
乙酸乙酯提取物(Ethyl acetate extract,簡(jiǎn)稱EA提取物)的獲得,根據(jù)上述1.3的方法大量獲得鏈霉菌3-10的發(fā)酵液,獲得的發(fā)酵液加入等體積的乙酸乙酯后充分混勻、靜置、待其分層后取上層乙酸乙酯相,置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀40 ℃下減壓蒸餾置干燥,稱重后一定體積甲醇溶解。
將鏈霉菌3-10發(fā)酵液和EA提取物用于本試驗(yàn)。將EA提取物稱重、甲醇溶解,再用無(wú)菌蒸餾水配制成濃度為200 μg/mL的溶液,用于下列試驗(yàn)。(1)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。將含有鏈霉菌3-10的發(fā)酵液或EA提取物溶液的塑料離心管分別置于40 ℃、60 ℃、80 ℃和100 ℃的水浴鍋中,在處理10、30和60 min后分別取出10 mL樣品置于冰上冷卻,以不經(jīng)過(guò)熱處理的發(fā)酵液和EA提取物溶液作為對(duì)照。(2)酸堿穩(wěn)定性試驗(yàn)。分別用鹽酸溶液(2.0 mol/L)和氫氧化鈉溶液(2.0 mol/L)將發(fā)酵液和EA提取物溶液的pH值分別調(diào)節(jié)至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0和 13.0,以未經(jīng)調(diào)節(jié)pH值的發(fā)酵液和EA提取物溶液為對(duì)照,置于4 ℃冰箱中,24 h后取出發(fā)酵液和EA提取物溶液,將其pH值調(diào)回至6.5(發(fā)酵液最終pH值)。(3)紫外線照射試驗(yàn)。取10 mL發(fā)酵液和EA提取物溶液至培養(yǎng)皿(直徑60 mm),將培養(yǎng)皿開(kāi)蓋置于磁力攪拌器上勻速攪拌,在磁力攪拌器正上方放置1個(gè)紫外燈管(UV-C, 30 W),燈管與培養(yǎng)皿中液面之間的垂直距離為15 cm,照射時(shí)間為 0(對(duì)照)、1、5、10、15、20、25、30、45和60 min。
測(cè)定EA提取物在液體和干燥狀態(tài)下貯存抗菌活性的穩(wěn)定性。液體貯存試驗(yàn)是用無(wú)菌蒸餾水和甲醇將EA提取物分別配制成水溶液和甲醇溶液(濃度均為10 μg/mL),分裝至塑料管中(2 mL大小,每管1 mL)。干燥狀態(tài)貯存是將EA提取物冷凍干燥,制備成干粉,取0.1 g干粉,裝于塑料管(2 mL)中。將不同處理塑料管分別置于4 ℃、20 ℃、28 ℃和37 ℃下存放,在放置當(dāng)天(0 d)以及貯存10、30、60和100 d后,取出管中所有的EA提取物干粉或溶液測(cè)定抗真菌活性。
以灰霉病菌菌株 B05.10為靶標(biāo)菌測(cè)定不同有機(jī)溶劑提取物和余液及乙酸乙酯提取物抗菌活性。測(cè)定方法是帶毒平板法,將2 mL發(fā)酵液(包括提取后的發(fā)酵液水相)或EA提取物(母液濃度:10 μg/mL)與18 mL PDA培養(yǎng)基混合均勻(二者的比例是1:9),以添加PDB的PDA為陰性對(duì)照。在不同平板中接種菌株B05.10菌絲瓊脂塊(直徑5 mm),在20 ℃培養(yǎng)3 d,測(cè)量各平板中的菌落直徑,將含有抗菌物質(zhì)處理菌落直徑與陰性對(duì)照中的菌落直徑進(jìn)行比較,計(jì)算抑菌百分率。抑菌百分率(%)=(陰性對(duì)照菌落直徑—處理菌落直徑)/陰性對(duì)照菌落直徑×100[27]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。
使用不同極性的有機(jī)溶劑提取鏈霉菌3-10產(chǎn)生的抗菌物質(zhì),篩選最佳提取溶劑。結(jié)果表明:乙酸乙酯是最佳提取溶劑,乙酸乙酯提取物(EA提取物)對(duì)灰霉病菌菌絲生長(zhǎng)的抑制作用最強(qiáng),抑菌率為 96.6%(圖1,2),而乙酸乙酯提取后的余液抑菌率僅為3.7%(圖1);正丁醇和三氯甲烷提取效果中等(圖1,2);四氯化碳、石油醚和環(huán)己烷的提取效果最差(圖1,2),該結(jié)果表明,鏈霉菌3-10發(fā)酵液中的抗真菌物質(zhì)能被乙酸乙酯很好地提取出來(lái)。
圖1 不同有機(jī)溶劑提取物對(duì)灰霉病菌菌絲生長(zhǎng)的抑菌效果Fig.1 Antifungal activity of crude extract and extract residue against mycelial growth of B.cinerea
圖2 不同溶劑提取物及余液對(duì)灰霉病菌菌絲生長(zhǎng)的抑菌率Fig.2 Inhibition rate of crude extract and extract residue against mycelial growth of B.cinerea
在熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中,40 ℃處理至60 min后,菌株3-10發(fā)酵液和EA提取物的抑菌率未明顯下降。60 ℃處理至60 min,發(fā)酵液和EA提取物的抑菌率分別下降至65.3%和55.3%。80 ℃和100 ℃高溫處理后抑菌活性顯著下降,80 ℃處理10 min發(fā)酵液和EA提取物抑菌活性開(kāi)始下降,處理60 min后發(fā)酵液和EA提取物的抑菌率分別下降至49.2%和33.2%;100 ℃處理10 min后發(fā)酵液和EA提取物的抑菌率分別下降至57.4%和52.1%,處理至60 min時(shí)幾乎失去抑菌活性,這說(shuō)明鏈霉菌3-10中的抗菌物質(zhì)對(duì)80 ℃以上的高溫比較敏感(圖3)。
圖3 溫度對(duì)發(fā)酵液和提取物抑菌活性的影響Fig.3 Effect of temperature on antifungal activity of the cultural filtrate and crude extract from Streptomyces sp.3-10
在酸堿穩(wěn)定性試驗(yàn)中,發(fā)酵液和EA提取物在pH為2~6的酸性環(huán)境中能保持良好的抑菌活性,發(fā)酵液和EA提取物在pH 2處理后抑菌活性分別為93.5%和90.3%,在pH 6處理后抑菌活性分別為95.3%和92.1%。pH 8以上的堿性環(huán)境會(huì)破壞發(fā)酵液和EA提取物的生物活性,發(fā)酵液和EA提取物在pH為8的條件下處理,抑菌活性開(kāi)始下降,在pH為13的條件下抑菌率分別下降至47.3%和33.2%,發(fā)酵液的抑菌活性下降比提取物的緩慢,這可能是因?yàn)榘l(fā)酵液中存在一些緩沖酸堿的物質(zhì)(圖4)。
圖4 酸堿度對(duì)發(fā)酵液和提取物抑菌活性的影響Fig.4 Effect of ambient pH on antifungal activity of the cultural filtrate and crude extract of Streptomyces sp.3-10
在紫外線照射穩(wěn)定性試驗(yàn)中,發(fā)酵液和提取物經(jīng)過(guò)紫外線照射后,抑菌活性顯著下降。EA提取物在紫外線照射1 min,抑菌活性下降至83.5%;照射20 min,抑菌率下降至9.7%;發(fā)酵液在紫外線照射10 min,抑菌率下降至85.2%;照射60 min,抑菌率仍有43.2%。發(fā)酵液經(jīng)過(guò)紫外線照射后抑菌活性下降比提取物緩慢,這可能是因?yàn)榘l(fā)酵液中含有糖和一些大分子物質(zhì)作為保護(hù)劑延緩了紫外線對(duì)發(fā)酵液抑菌活性的影響(圖5)。以上結(jié)果表明,鏈霉菌3-10的發(fā)酵液及提取物對(duì)80 ℃以上的高溫、堿性環(huán)境和紫外線照射比較敏感。
圖5 紫外線照射對(duì)發(fā)酵液和提取物抑菌活性的影響Fig.5 Effect of UV irradiation on antifungal activity of the cultural filtrate and crude extract of Streptomyces sp.3-10
提取物在水中時(shí),其穩(wěn)定性較差,4 ℃條件下貯存超過(guò)30 d后,抑菌活性有明顯下降,抑菌率下降至83.4%,隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),EA提取物的抑菌活性隨之下降;到100 d時(shí),抑菌率下降至44.5%;20 ℃時(shí)貯存至第30 d時(shí),EA提取物的抑菌率下降至64.5%,100 d時(shí),EA提取物抑菌率下降至39.1%;28 ℃時(shí)貯存30 d時(shí),EA提取物的抑菌率僅為21.7%;60 d時(shí)無(wú)生物活性;EA提取物在37 ℃貯藏10 d時(shí)抑菌率下降至11.4%,30 d時(shí)無(wú)生物活性。EA提取物在水溶液條件下,在低溫(4 ℃)下可以貯藏30 d,在室溫(20 ℃~28 ℃)時(shí),貯藏不宜超過(guò)30 d,不宜處于37 ℃的高溫條件下(圖6)。
圖6 提取物在水中貯存溫度和時(shí)間對(duì)抑菌活性的影響Fig.6 Effect of temperature and storage period on antifungal activity of the crude extract in water solution of Streptomyces sp.3-10
提取物溶解在甲醇中時(shí),其穩(wěn)定性較好。在4 ℃和20 ℃時(shí),貯存100 d EA提取物抑菌率分別為83.1%和66.2%;在28 ℃和37 ℃時(shí),貯存至第30 d EA提取物抑菌率分別為77.5%和63.7%;隨著時(shí)間延長(zhǎng)至100 d,提取物的抑菌率下降至53.9%和43.7%。EA提取物在甲醇溶解的條件下,貯存在4 ℃時(shí)可以保持良好的抑菌活性,在室溫(20 ℃~28 ℃)條件下貯存不宜超過(guò)100 d,在37 ℃條件貯存不宜超過(guò)30 d(圖7)。
圖7 提取物在甲醇中貯存溫度和時(shí)間對(duì)抑菌活性的影響Fig.7 Effect of temperature and storage period on antifungal activity of the crude extract in methanol solution of Streptomyces sp.3-10
將EA提取物制備成固體粉末時(shí)最為穩(wěn)定,在低溫(4 ℃)至室溫(20 ℃~28 ℃)條件下可以保持良好的抑菌活性,貯存100 d EA提取物抑菌率分別為90.3%、92.5%和89.5%;在37 ℃條件下,貯存100 d提取物的抑菌率下降至80.2%(圖8)。該結(jié)果表明,EA提取物在水中的穩(wěn)定性較差,在甲醇中能在低溫條件下可以保持較好的抑菌活性;將提取物冷凍干燥后制備成干粉最有利于提取物的貯存,在低溫至室溫條件下提取物均能保持良好的抑菌活性。
圖8 提取物制備成干粉后貯存溫度和時(shí)間對(duì)抑菌活性的影響Fig.8 Effect of temperature and storage period on antifungal activity of the crude extract lyophilized powder of Streptomyces sp.3-10
微生物產(chǎn)生的農(nóng)用抗生素在使用時(shí)進(jìn)入外界環(huán)境后,會(huì)受到光照、溫度、濕度等自然環(huán)境的影響。目前,鏈霉菌產(chǎn)生發(fā)酵液對(duì)植物病原真菌的抑制作用和穩(wěn)定性研究報(bào)道較多,但發(fā)酵液的提取物穩(wěn)定性報(bào)道相對(duì)較少。楊勇等[28]研究了黃麻鏈霉菌AUH-1發(fā)酵液的抑菌活性和穩(wěn)定性,發(fā)酵粗提液在100 ℃處理30 min、經(jīng)紫外線照射50 min仍有較好的抑菌活性,耐受酸堿。范萬(wàn)澤等[29]報(bào)道了婁徹氏鏈霉菌ZZ-9發(fā)酵液在100 ℃高溫、長(zhǎng)時(shí)間(16 h)紫外線照射、強(qiáng)酸(pH=2)和強(qiáng)堿(pH=12)的條件下亦仍能保持較好的抑菌活性。張雨陽(yáng)等[30]發(fā)現(xiàn)黃三素鏈霉菌15-6的發(fā)酵液在80 ℃以上的高溫、酸性(pH=1~6)或堿性(pH=8~13)條件下對(duì)膠孢炭疽菌的抑菌效果降低。蔣桂芳等[31]報(bào)道了拮抗放線菌 F2發(fā)酵液的穩(wěn)定性,在 70 ℃以上的高溫會(huì)降低發(fā)酵液對(duì)辣椒炭疽病菌的抑制作用,在環(huán)境pH為3~10的條件下、紫外線照射30 min對(duì)發(fā)酵液的抑菌活性影響不大,室溫或4 ℃條件下儲(chǔ)藏15 d的發(fā)酵液仍能保持較好的抑菌活性。
本研究采用不同極性的有機(jī)溶劑對(duì)鏈霉菌3-10發(fā)酵液中的抑菌物質(zhì)進(jìn)行提取,獲得的提取物及提取后余液對(duì)灰霉病菌菌絲生長(zhǎng)的抑菌活性測(cè)定后發(fā)現(xiàn),乙酸乙酯提取物活性最強(qiáng)且提取后余液抑菌活性很弱,說(shuō)明乙酸乙酯能有效地將無(wú)菌發(fā)酵液中的抑菌活性物質(zhì)提取出來(lái),所以選取乙酸乙酯作為提取溶劑。穩(wěn)定性試驗(yàn)表明,發(fā)酵液和提取物對(duì) 80 ℃以上的高溫比較敏感,在酸性(pH=2~6)條件下發(fā)酵液和提取物均能發(fā)揮較好的抑菌活性,堿性(pH=8~13)條件會(huì)降低二者的抑菌活性,紫外線照射會(huì)破壞發(fā)酵液和提取物的抑菌活性。提取物貯存條件試驗(yàn)表明,提取物在水中、甲醇中和制備成干粉的3種狀態(tài)下,在水中可以短期貯存,在甲醇中的貯存時(shí)間比在水中長(zhǎng),但這兩種狀態(tài)只能處于低溫和室溫,高溫條件下提取物在水中容易喪失生物活性,提取物制備成干粉后在低溫、室溫和高溫的條件下貯存100 d后均能保持良好的生物活性,比較適合長(zhǎng)期貯存。
已有的研究報(bào)道了鏈霉菌3-10的乙酸乙酯提取物可以抑制多種植物病原真菌的菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā),提取物中具有抑菌活性的主要成分是reveromycin A,但是對(duì)于發(fā)酵液及EA提取物的穩(wěn)定性沒(méi)有報(bào)道[26]。Reveromycin A是一種螺環(huán)化合物,可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖、抑制酵母細(xì)胞生長(zhǎng)[32],reveromycin A在酸性條件下才能保持良好的生物活性[33,34]。在本研究中同樣發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)酸性處理后的發(fā)酵液和EA提取物都能保持較好的抑菌活性,經(jīng)過(guò)堿性處理后抑菌活性有所下降,這可能是因?yàn)閴A性破壞了reveromycin A的分子結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致抑菌活性降低。在reveromycin A的分子中存在多個(gè)碳碳雙鍵結(jié)構(gòu),容易受到紫外光激發(fā)從而改變其分子狀態(tài),這可能是提取物受到紫外線照射后抑菌活性迅速下降的原因。
本研究以灰霉菌為生物活性測(cè)定的指示菌,測(cè)定了鏈霉菌3-10發(fā)酵液和EA提取物在不同的溫度、酸堿度、紫外線照射和不同存在狀態(tài)下的活性保持能力,為鏈霉菌3-10的田間應(yīng)用提供了指導(dǎo)信息。此外,本研究中鏈霉菌3-10發(fā)酵液和EA提取物的穩(wěn)定性試驗(yàn)均為對(duì)植物病原真菌生長(zhǎng)的室內(nèi)測(cè)定,而在田間環(huán)境中的生物活性測(cè)定需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。