楊山牡丹生防內(nèi)生細(xì)菌的分離及鑒定

劉雪停，夏彥飛,2*，李 身，雷榮月，徐建強(qiáng)，林曉民*

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003；2.桂林醫(yī)學(xué)院 附屬醫(yī)院，廣西 桂林 541001）

楊山牡丹（Paeonia ostii）是我國傳統(tǒng)花卉牡丹（P. suffruticosa）的1個(gè)栽培品種，除了具有觀賞價(jià)值外，因其根具有鎮(zhèn)痛、消炎、抗腫瘤等功效，也被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域［1-2］。隨著種植面積的持續(xù)擴(kuò)增及病害的逐年積累，牡丹病害種類越來越多，危害也逐年加重。大量牡丹病害的發(fā)生導(dǎo)致了牡丹花色衰退、生長受阻、藥用價(jià)值下降，嚴(yán)重制約了牡丹產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展［3］。目前，已記錄的牡丹病害種類有27種，主要有牡丹灰霉病、牡丹黑斑病、牡丹黃斑病和牡丹線蟲病等［4］。化學(xué)藥劑具有防效好、見效快的特點(diǎn)，施用化學(xué)藥劑一直是牡丹病害防治的主要手段，但是大量化學(xué)藥劑的使用給人類健康和環(huán)境安全帶來了隱患，導(dǎo)致不少藥劑被禁用或即將禁用，因此，開發(fā)高效、無毒的微生物制劑已成為控制牡丹病害的研究熱點(diǎn)，也符合可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保的理念［5-6］。

植物內(nèi)生菌是指能存活于健康植物組織內(nèi)部的一類微生物，具有獨(dú)立繁殖和傳導(dǎo)特性，其與寄主植物長期協(xié)同進(jìn)化，產(chǎn)生與寄主相同或相似的生物活性物質(zhì)，因此人們對(duì)此類微生物產(chǎn)生了極大的興趣［7-10］。研究表明，植物內(nèi)生細(xì)菌具有促進(jìn)植物生長，提高寄主植物的抗病性，增強(qiáng)植物對(duì)環(huán)境的抗逆性等特性［11-14］。已報(bào)道的植物內(nèi)生細(xì)菌主要集中在變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria ） ；常見的植物內(nèi)生細(xì)菌屬有假單胞菌屬（Pseudomonas）、伯克霍爾德氏菌屬（Burkholderia）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、微球菌屬（Micrococcus）、泛菌屬（Pantoea）、寡單胞菌屬（Stenotrophomonas）、微桿菌屬（Microbacterium）［15-16］。 目前，已報(bào)道具有生防作用的牡丹內(nèi)生細(xì)菌為芽孢桿菌屬的6個(gè)種，分別是解淀粉芽孢桿菌（B. amyloliquefaciens）、短小芽孢桿菌（B. pumilu）、枯草芽孢桿菌（B. subtilis）、假真菌樣芽孢桿菌（B. pseudomycoides）、蘇云金芽孢桿菌（B. thuringiensis）和貝萊斯芽孢桿菌（B. velezensis）［17-19］。總體來看，關(guān)于牡丹生防內(nèi)生細(xì)菌的研究偏少，鑒于此，筆者對(duì)楊山牡丹內(nèi)生細(xì)菌進(jìn)行了分離鑒定，并對(duì)其抑菌機(jī)制進(jìn)行了初步研究，旨在篩選出能產(chǎn)生抑菌活性物質(zhì)的生防內(nèi)生細(xì)菌，為牡丹病害的生物防治提供新的微生物菌種資源。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采取6、7月份洛陽市各牡丹園區(qū)內(nèi)的楊山牡丹植株的根、莖、葉，收集新鮮樣本后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來水清洗干凈。

1.2 培養(yǎng)基

本研究所用的PDA培養(yǎng)基、LB固態(tài)培養(yǎng)基、LB液體培養(yǎng)基的配制及滅菌方法參照《現(xiàn)代微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》［20］。細(xì)菌發(fā)酵培養(yǎng)基為Landy培養(yǎng)基，具體配方參考Landy等的研究方法［21］。

1.3 指示植物病原菌

牡丹黑斑病菌（Alternaria suffruticosae）、牡丹黃斑病菌（Phyllosticta commonsii）、牡丹腔孢葉斑病菌（Hainesia lythri）、牡丹灰霉病菌（Botrytis paeoniae）、北方根結(jié)線蟲（Meloidogyne arenaria）均為本實(shí)驗(yàn)室保存。

1.4 牡丹內(nèi)生細(xì)菌的分離和純化

取植株根、莖和葉，先用自來水沖洗干凈，再用無菌水清洗3~5次，然后按照楊瑞先等的方法進(jìn)行表面滅菌；取最后1次漂洗植物組織的無菌水涂布平板，檢查滅菌效果［17］。向各消毒組織加入10 mL無菌水，研磨；吸取研磨液，采用稀釋涂平板法將其涂布于LB固體培養(yǎng)基，在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)48 h。挑出菌落形態(tài)各異的單菌落進(jìn)一步純化分離，在4 ℃下保存。

1.5 拮抗菌株的篩選

對(duì)挑取的純培養(yǎng)菌株用Landy培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，利用平板對(duì)峙法和浸漬法篩選出有拮抗活性的內(nèi)生細(xì)菌。發(fā)酵培養(yǎng)條件參考Landy等的方法［21］。收集培養(yǎng)濾液，在4 ℃下以12000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min；取上清液，過0.22 μm微孔濾器，此過濾液即為內(nèi)生菌上清液。

在PDA平板中心分別接種直徑為5 mm的4種牡丹病原真菌菌餅，將內(nèi)生菌上清液5 μL用十字交叉法接種在距離菌餅2 cm的滅菌濾紙片上，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)。待對(duì)照病原菌菌絲長滿平板時(shí)，測量其抑制效果；實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次。采用同樣的方法對(duì)有抑菌作用的內(nèi)生菌株進(jìn)行復(fù)篩，并在顯微鏡下觀察生防菌株拮抗部分病原真菌菌落邊緣菌絲的生長形態(tài)；實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次。

內(nèi)生細(xì)菌對(duì)北方根結(jié)線蟲的拮抗活性實(shí)驗(yàn)參考Xia等的方法［22］，即先將2 mL內(nèi)生菌上清液放入直徑為6 cm的滅菌表面皿中，然后挑入50條北方根結(jié)線蟲2齡幼蟲，置于25 ℃培養(yǎng)箱，12 h后統(tǒng)計(jì)線蟲的死亡數(shù)；實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。用無菌水和無菌Landy培養(yǎng)基作為對(duì)照；實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次。對(duì)有殺線蟲效果的菌株采用同樣的方法進(jìn)行復(fù)篩；實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次。

1.6 生防內(nèi)生細(xì)菌的鑒定

對(duì)有拮抗活性的牡丹內(nèi)生菌進(jìn)行形態(tài)和生理生化鑒定，具體方法參照《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊》［23］和《原核生物進(jìn)化與系統(tǒng)分類學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》［24］。

利用Axygen DNA提取試劑盒提取拮抗菌株的基因組。細(xì)菌16S rDNA擴(kuò)增所用引物為27F（5＇-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3＇）和1492R（5＇-GGYTACCTTGTTACGACTT-3＇）。gyrB基 因擴(kuò)增簡并引物為UP-2r（5＇-AGCAGGGTACGGATGTGCGAGCCRTCNACRTCNGCRTCNGTCAT-3＇）和UP-1（5＇-GAAGTCATCATGACCGTTCTGCAYGCNGGNGGNAARTTYGA-3＇）（Y代表C或者T；M代表A或者C；R代表A或者G；N表示任一堿基）。用Axygen膠回收試劑盒回收目的片段，并將其送南京思普金生物科技有限公司測序。將菌株的16S rDNA和gyrB基因的測序序列與GenBank中已登錄的序列進(jìn)行BLAST比對(duì)，確定與該菌株親緣關(guān)系最近的種屬，獲取相似性較高的相關(guān)種的序列。將拮抗菌株和相關(guān)屬的16S rDNA和gyrB基因序列分別進(jìn)行拼接，用ClustalX軟件進(jìn)行多序列比對(duì)，應(yīng)用Mega 4.0的Neighbor-Joining（NJ）方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹（穩(wěn)定性檢測重復(fù)取樣1000次），并進(jìn)行聚類分析。

1.7 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件（SPSS inc.， Illinois， USA）的單因素方差分析方法（ANOVA）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用最小顯著性差數(shù)法（Least Significant Difference， LSD）進(jìn)行兩兩比較，以P<0.05作為檢驗(yàn)差異顯著性的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊山牡丹內(nèi)生細(xì)菌的分離和篩選

根據(jù)細(xì)菌菌落形態(tài)的不同，本研究共從楊山牡丹的根、莖、葉組織中分離出211株內(nèi)生細(xì)菌，其中從根分離出41株，從莖分離出155株，從葉分離出15株。經(jīng)初篩，有42個(gè)菌株的發(fā)酵上清液對(duì)4種牡丹病原真菌和北方根結(jié)線蟲具有拮抗活性。對(duì)這42株菌株進(jìn)行復(fù)篩，其中6株內(nèi)生細(xì)菌（YMG34、YMJ74、YMJ78、YMJ141、YMJ143、YMY13）表現(xiàn)出穩(wěn)定的拮抗活性，用其上清液處理北方根結(jié)線蟲12 h，線蟲的死亡率均為100%。菌株YMG34對(duì)黃斑病菌和黑斑病菌的抑制直徑最大，其抑制效果與YMJ78、YMJ143、YMY13的處理存在顯著差異；菌株YMG34對(duì)灰霉病菌的抑制直徑為31.89 mm，與菌株YMJ78和YMY13的處理也存在顯著差異；YMJ78菌株對(duì)腔胞葉斑病菌的抑制直徑最大，為32.22 mm，與菌株YMJ141的處理存在顯著差異（表1）。

表1 6株內(nèi)生細(xì)菌菌株對(duì)牡丹病原真菌的抑制作用

2.2 拮抗生防內(nèi)生細(xì)菌的鑒定

6株菌株的生理生化特征（表2）與《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊》描述的芽孢桿菌屬的特征基本一致，初步鑒定這6株生防菌屬于芽孢桿菌屬（Bacillus spp.）［6］。

6株生防內(nèi)生細(xì)菌的16S rDNA和gyrB基因的核酸測序序列長度見表3。將6株內(nèi)生菌株的16S rDNA和gyrB序列分別在GenBank數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果顯示都與芽孢桿菌屬部分菌株的基因序列相似度最高。把這6株生防內(nèi)生細(xì)菌及選取的同源性較高的芽孢桿菌菌株的16S rDNA和gyrB基因的序列分別拼接后，采用Mega 4.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，如圖1所示，菌株YMG34與巨大芽孢桿菌處于同一分支中；YMJ74、YMJ78、YMJ141、YMJ143以及YMY13與耐鹽芽孢桿菌聚在一個(gè)分支上。分別結(jié)合6個(gè)菌株的生理生化特性，YMG34菌株被鑒定為巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium），菌株YMJ74、YMJ78、YMJ141、YMJ143和YMY13被鑒定為耐鹽芽孢桿菌（Bacillus halotolerans）。

2.3 拮抗生防內(nèi)生細(xì)菌對(duì)病原菌菌絲生長抑制效果的顯微觀察

牡丹黃斑病原菌、黑斑病原菌、灰霉病原菌受內(nèi)生細(xì)菌菌株YMG34、YMJ74、YMJ78、YMJ141、YMJ143、YMY13抑制后，其病原菌菌絲生長明顯受阻。在光學(xué)顯微鏡（10×40倍）下觀察對(duì)峙平板中邊緣菌絲的變化情況，與對(duì)照菌絲（圖2中的CK1、CK2、CK3）比較，受生防細(xì)菌抑制的病原菌菌絲縮短變粗，生長變形扭曲，有瘤狀突起、縊縮、細(xì)胞膨大等畸變（圖2中的A、B、C、E、F、G、I、J、K、M、N、O、Q、R、S、U、V、W）。腔胞葉斑病原菌受6株內(nèi)生細(xì)菌作用后，菌落周圍區(qū)域變?yōu)樯詈稚?，除了YMY13菌株的處理能在10×40倍光學(xué)顯微鏡下觀察到菌絲的變化狀況外，其余拮抗菌的處理只能在10×20倍下觀察到結(jié)果。腔胞葉斑病原菌的菌絲受YMY13菌株處理后，也變粗縮短，生長變形扭曲，有瘤狀突起、縊縮、細(xì)胞膨大等畸變現(xiàn)象（圖2X），而該菌株受其余5株拮抗菌處理后，只能看到瘤狀突起（圖2中的D、H、L、P、T）。

表2 6株內(nèi)生細(xì)菌菌株的生理生化特征

表3 6株內(nèi)生細(xì)菌菌株的16S rDNA及gyrB基因的序列長度

圖1 基于16S rDNA和gyrB基因序列串聯(lián)構(gòu)建的6株內(nèi)生細(xì)菌的系統(tǒng)進(jìn)化樹

圖2 6株內(nèi)生細(xì)菌菌株對(duì)牡丹病原真菌菌絲的影響

3 結(jié)論與討論

近年來，隨著人們對(duì)牡丹觀賞價(jià)值、藥用價(jià)值以及食用價(jià)值認(rèn)識(shí)的不斷深入，牡丹種植面積逐漸增多，品種多樣化，結(jié)果導(dǎo)致植物病害越來越多，危害也逐年加劇。芽孢桿菌屬細(xì)菌具有抗逆性強(qiáng)的芽孢，可以產(chǎn)生多種抗菌物質(zhì)，非常有利于微生物農(nóng)藥的開發(fā)和推廣。因此，利用芽孢桿菌來控制牡丹病害成為新的研究熱點(diǎn)。如楊瑞先等先后從牡丹根部分離出6株芽孢桿菌菌株，其對(duì)牡丹黑斑病菌、炭疽病菌、灰霉病菌、黃斑病菌具有明顯的抑制作用［17－18］。分離于牡丹根部的枯草芽孢桿菌Md10菌株和短小芽孢桿菌Md20菌株對(duì)金黃色葡萄球菌具有抑菌活性。

本研究也從牡丹組織內(nèi)分離出共同拮抗牡丹黃斑病原菌、黑斑病原菌、灰霉病原菌、腔胞葉斑病原菌及北方根結(jié)線蟲的6株內(nèi)生細(xì)菌，其中根部1株（YMG34）、莖部4株（YMJ74、YMJ78、YMJ141、YMJ143）、葉部1株（YMY13）。在本研究中，除了這6株內(nèi)生菌表現(xiàn)出穩(wěn)定的廣譜抗性外，還有一些菌株對(duì)單一病害呈現(xiàn)了較強(qiáng)的拮抗活性（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。本研究不僅充實(shí)完善了牡丹生防微生物菌種資源庫，而且為將來6株生防內(nèi)生細(xì)菌菌株的進(jìn)一步開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。

16S rDNA基因序列是細(xì)菌分類常用的基因標(biāo)記，但是很難對(duì)序列相似度較高的同源性芽孢桿菌種群進(jìn)行區(qū)分，因此學(xué)者們開發(fā)了一些新靶標(biāo)如gyrA、gyrB、rpoD等基因來區(qū)別芽孢桿菌的近緣種［25-27］。喻國輝等結(jié)合16S rDNA、gyrA、gyrB等基因?qū)⒎蛛x于石斛蘭的R13生防菌株鑒定為枯草芽孢桿菌［28］。郭潔心等采用同樣的研究方法，把從丁香樹莖部分離的1株植物生防內(nèi)生細(xì)菌G-1菌株鑒定為甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌［29］。本研究利用傳統(tǒng)形態(tài)鑒定、生理生化特征實(shí)驗(yàn)、16S rDNA與gyrB基因聯(lián)合分析方法，成功鑒定出5株耐鹽芽孢桿菌（YMJ74、YMJ78、YMJ141、YMJ143和YMY13），以及1株巨大芽孢桿菌（YMG34菌株）。

植物內(nèi)生細(xì)菌能利用代謝過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)如伊枯草菌素、表面活性素、泛革素等來抑制植物病原菌的生長或蔓延［30］。據(jù)楊瑞先等報(bào)道，蘇云金芽孢桿菌Md1-14菌株、假真菌樣芽孢桿菌Md3-14菌株、貝萊斯芽孢桿菌Md2-17和Md2-35菌株的代謝產(chǎn)物對(duì)牡丹灰霉病原菌有顯著的抑制作用，導(dǎo)致病原菌菌絲縮短變粗、分支增多成簇狀、原生質(zhì)體凝集等現(xiàn)象［18］。Xu等也發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌1-L-29菌株拮抗油茶炭疽病菌后，菌絲出現(xiàn)變形、膨大等現(xiàn)象［31］。本研究分離得到的6株內(nèi)生菌的代謝產(chǎn)物也能抑制4種植物病原菌菌絲的生長，導(dǎo)致菌絲扭曲、變粗縮短、有瘤狀突起等畸變現(xiàn)象，表明這6株內(nèi)生細(xì)菌具有防治牡丹病害的潛力。

盡管本研究確定6株生防內(nèi)生菌對(duì)5種植物病原菌具有拮抗活性，但具體是何種物質(zhì)起作用，其作用方式如何，是否會(huì)產(chǎn)生新的活性物質(zhì)，以及田間對(duì)牡丹病害的防治效果如何，均有待進(jìn)行下一步的試驗(yàn)研究。