中間球海膽黑嘴病病原菌的分離與鑒定

劉巖松，張偉杰，王中，殷維駿，歐凡江，田文卓，劉雷，常亞青

(大連海洋大學(xué) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

中間球海膽Strongylocentrotusintermedius作為一種優(yōu)質(zhì)海膽種類，具有生長(zhǎng)速度快及生殖腺色澤光亮、質(zhì)地飽滿和味甜等特點(diǎn)。中間球海膽原產(chǎn)于日本北方沿海和俄羅斯遠(yuǎn)東部分地區(qū)沿海，中國(guó)自1989年從日本引入該種后，便對(duì)其開展了生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、人工育苗及遺傳育種等一系列研究[1-2]，同時(shí)開始進(jìn)行人工增養(yǎng)殖生產(chǎn)。目前，中間球海膽已成為中國(guó)重要的海珍品增養(yǎng)殖種類之一[2]。近年來，海膽逐漸被中國(guó)消費(fèi)者認(rèn)可，其養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，但細(xì)菌性疾病如黑嘴病[3]、紅斑病[4-5]和病變綜合征等[6]也開始在養(yǎng)殖生產(chǎn)中頻繁暴發(fā)，嚴(yán)重制約了海膽?zhàn)B殖業(yè)的健康發(fā)展。

黑嘴病是中間球海膽?zhàn)B殖過程中危害最嚴(yán)重的疾病之一。春夏交替時(shí)的低溫期是黑嘴病頻繁暴發(fā)的高峰期，且黑嘴病病原菌對(duì)受損傷海膽致病性較強(qiáng)[7]，患病海膽的主要特征是圍口膜顏色發(fā)黑，隨著病情逐漸加重，其不能正常進(jìn)行附著和攝食活動(dòng)，棘逐漸脫落直至死亡[3]。黑嘴病傳染性強(qiáng)，死亡率高，在中間球海膽?zhàn)B殖過程中危害較大，因此，開展黑嘴病病原的分離和鑒定及病原菌病原特性的研究，對(duì)有效防控中間球海膽黑嘴病具有重要意義。目前，已有研究對(duì)中間球海膽黑嘴病致病菌的鑒定尚有爭(zhēng)議。Takeuchi等[8]從患黑嘴病中間球海膽中分離出一種菌株，根據(jù)病原菌的生化特性、DNA-DNA同源性和血清學(xué)分析，證明該病原菌為弧菌屬Vibrio；而李太武等[3]根據(jù)該病原菌的形態(tài)特征及生化特性，鑒定中間球海膽黑嘴病的病原菌為堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌Bacillusfirmus。原因可能是黑嘴病的病原菌有多種，導(dǎo)致分離出的致病菌種類不一，也可能是因?yàn)樵囼?yàn)方法及鑒定方法不同，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)分歧。鑒于目前細(xì)菌鑒定技術(shù)的不斷進(jìn)步，有必要對(duì)黑嘴病病原菌進(jìn)行重新鑒定。本研究中，對(duì)患有黑嘴病的中間球海膽進(jìn)行了病原菌分離純化，并采用電鏡觀察、革蘭氏染色、生理生化鑒定和16S rRNA序列比對(duì)等系列手段對(duì)該病原進(jìn)行了鑒定，以期為海膽黑嘴病的防治提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用患病及健康中間球海膽均取自大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同批人工繁育群體，挑選具有典型黑嘴病病癥的個(gè)體作為病原分離的試驗(yàn)材料。

抗菌藥物藥敏紙片購(gòu)自杭州微生物試劑有限公司；細(xì)菌微量鑒定管購(gòu)自海博生物技術(shù)有限公司；2216E培養(yǎng)基、無菌接種環(huán)和PBS試劑均購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 病原菌的分離與純化 在無菌條件下，對(duì)具有典型黑嘴病病癥的中間球海膽進(jìn)行解剖，吸取其體腔液于2216E固體培養(yǎng)基上進(jìn)行劃線分離，在16 ℃下恒溫培養(yǎng)12 h后，對(duì)菌落形態(tài)、大小和顏色等進(jìn)行觀察比較，挑取優(yōu)勢(shì)菌落進(jìn)行純化培養(yǎng)，將菌液與體積分?jǐn)?shù)為80%的甘油按體積比1∶1混合均勻后置于-80 ℃下保存?zhèn)溆?，分離的細(xì)菌編號(hào)為D1。

1.2.2 人工回感試驗(yàn) 采用浸泡法進(jìn)行人工回歸感染試驗(yàn)，隨機(jī)取200只健康無病癥的中間球海膽，等分放入4個(gè)10 L滅菌水槽中，暫養(yǎng)3 d后開始試驗(yàn)，使用1 mL無菌注射器針頭從海膽圍口膜處刺入造成損傷后，向水槽中加入10 μL濃度為108cfu/mL的D1菌液，最終浸泡脅迫濃度為 102cfu/mL，對(duì)照組僅使用針頭損傷海膽，養(yǎng)殖于無菌海水中。試驗(yàn)期間保持水溫為(17±1)℃，連續(xù)觀察7 d并記錄試驗(yàn)海膽的發(fā)病癥狀及死亡情況。

1.2.3 病原菌形態(tài)觀察 將純化后的病原菌涂布在載玻片上，經(jīng)火焰固定，隨后分別加結(jié)晶紫染液1 min后水洗、碘液1 min后水洗、脫色液1 min后水洗及復(fù)染液30 min后水洗，晾干后進(jìn)行鏡檢。

取10 mL濃度為109cfu/mL的D1菌液離心(3 000g)，去除上清液，加入5 mL 0.1 mol/L PBS清洗，清洗3次后加入5 mL體積分?jǐn)?shù)為2.5%的戊二醛固定3 h，用PBS清洗2次，用純水清洗2次，再用體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、80%、90%和100%的乙醇溶液梯度脫水，最后滴加處理好的樣品于1 cm×1 cm的貝殼上，置于烘箱中進(jìn)行烘干，樣品充分干燥后進(jìn)行掃描電鏡觀察。

1.2.4 病原菌生化特征鑒定 將分離株D1接種于2216E固體培養(yǎng)基上，在16 ℃下恒溫培養(yǎng)24 h，用無菌接種環(huán)挑取適量單菌落接種于細(xì)菌微量鑒定管中，用無菌封口膜封口，在37 ℃下恒溫培養(yǎng)。

1.2.5 病原菌分子生物學(xué)鑒定 將新鮮培養(yǎng)的單菌落挑取至2216E液體培養(yǎng)基中，于16 ℃下恒溫培養(yǎng)12 h后，取1 μL稀釋5倍作為模板。利用通用引物(引物序列為8F：AGAGTTTGATCCTGGCTCAG，1492R：GGTTACCTTGTTACGACTT)擴(kuò)增16S rRNA基因全長(zhǎng)。反應(yīng)體系(共50 μL)：正、反向引物各2 μL，DNA模板1 μL，rTaq 0.4 μL，dNTP Mixture 4 μL，10×PCR Buffer 5 μL，用無菌水補(bǔ)足至50 μL。反應(yīng)條件：94 ℃下預(yù)變性5 min；94 ℃下變性30 s，43.6 ℃下退火30 s，72 ℃下延伸1 min，共進(jìn)行35個(gè)循環(huán)；最后再在72 ℃下延伸10 min。將所得未純化PCR產(chǎn)物送至生工生物工程(上海)股份有限公司測(cè)序。運(yùn)用MEGA X軟件將返回的D1菌株16S rRNA基因擴(kuò)增序列進(jìn)行拼接，得到全長(zhǎng)后在Ezbio Cloud數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行多序列比對(duì)。將EzBio Cloud數(shù)據(jù)庫中與D1菌株的16S rRNA基因序列相似度較高的幾種常見致病弧菌，用MEGA X軟件進(jìn)行比對(duì)，并采用鄰接法(NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹, 以自舉數(shù)據(jù)集為1 000次的自舉分析(bootstrap)進(jìn)行置信度檢測(cè)。

1.2.6 藥敏試驗(yàn) 對(duì)病原菌D1運(yùn)用藥敏紙片擴(kuò)散法進(jìn)行藥敏試驗(yàn)。取200 μL新鮮菌液涂布于2216E固體培養(yǎng)基上，將藥敏紙片用無菌鑷子貼于涂布新鮮菌液的培養(yǎng)基表面，在16 ℃下恒溫培養(yǎng)24 h，根據(jù)杭州微生物試劑有限公司提供的《藥敏試驗(yàn)紙片法的抑菌范圍解釋標(biāo)準(zhǔn)》，通過測(cè)定抑菌圈直徑確定病原菌株的藥物敏感性。

2 結(jié)果與分析

2.1 病原菌分離純化

從圖1可見，從患病中間球海膽中提取的優(yōu)勢(shì)病原菌D1在2216E培養(yǎng)基上培養(yǎng)12 h(16 ℃)后，菌落呈圓形、乳白色、不透明。

2.2 人工回感試驗(yàn)

人工回感試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海膽在感染48 h內(nèi)出現(xiàn)圍口膜變黑，管足回縮，附著能力喪失，運(yùn)動(dòng)能力減弱等病癥(圖2)，與自然發(fā)病的海膽癥狀相同。從表1可見：感染后的海膽在48 h后開始出現(xiàn)死亡，第8天時(shí)3組的平均死亡率為30.67%±1.15%；對(duì)照組海膽損傷后置入無菌海水中暫養(yǎng)，并未發(fā)生病狀。同時(shí)，再次從人工感染的發(fā)病海膽中進(jìn)行優(yōu)勢(shì)菌分離，用二次分離到的菌株感染健康海膽，出現(xiàn)的海膽黑嘴病癥狀與自然發(fā)病癥狀相同，16S rRNA序列比對(duì)結(jié)果均與菌株D1一致。這表明，菌株D1為中間球海膽黑嘴病病原。

圖1 分離的菌株D1Fig.1 Isolated strain D1

圖2 菌株D1回感海膽Fig.2 Strain D1 challenged to the sea urchin

表1 菌株D1感染試驗(yàn)Tab.1 Strain D1 infection experiment

2.3 病原菌形態(tài)觀察

如圖3、圖4所示，D1菌株經(jīng)過革蘭氏染色，結(jié)果為革蘭氏陰性菌，菌株呈短桿狀，長(zhǎng)×寬為(2.10±0.31)μm×(0.68±0.08)μm(n=30)。

圖3 菌株D1革蘭氏染色圖片F(xiàn)ig.3 Micrograph of strain D1 by Gram-staining

2.4 生理生化鑒定

利用細(xì)菌微量鑒定管對(duì)菌株D1進(jìn)行鑒定，結(jié)果顯示菌株D1在6%氯化鈉胨水中可以生長(zhǎng)，無芽孢，不可以利用鳥氨酸、賴氨酸和精氨酸脫羧，V-P反應(yīng)、甲基紅反應(yīng)呈陰性，氧化酶反應(yīng)呈陽性，可以利用蔗糖，不可以利用西蒙氏枸櫞酸鹽、葡萄糖、甘醇、水楊苷，不產(chǎn)生吲哚，不能分解尿素，與常見弧菌屬有一定差別(表2)。

圖4 菌株D1的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscopy of strain D1

2.5 分子生物學(xué)鑒定

利用通用引物對(duì)菌株D1進(jìn)行16S rRNA基因全長(zhǎng)擴(kuò)增，在EzBio Cloud數(shù)據(jù)庫中將菌株D1的16S rRNA基因片段序列進(jìn)行序列比對(duì)，結(jié)果顯示，菌株D1與參考菌株棘皮動(dòng)物弧菌Vibrioechinoideorum的一致性為99.04%(圖5)。

選擇EzBio Cloud數(shù)據(jù)庫中已報(bào)道的同源性較高的棘皮動(dòng)物弧菌及其他8種弧菌的16S rRNA基因序列，采用鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，結(jié)果顯示，菌株D1與棘皮動(dòng)物弧菌單獨(dú)聚為一支，表明二者的親緣關(guān)系最近(圖6)。根據(jù)生理生化試驗(yàn)和16S rRNA生物學(xué)鑒定結(jié)果，確定D1菌株為棘皮動(dòng)物弧菌V.echinoideorum。

表2 病原菌D1的理化特性及與常見弧菌的比較Tab.2 Physicochemical characteristics of pathogenic bacterium D1 and comparison with common Vibrio species

圖6 基于16S rRNA基因序列的D1系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹Fig.6 Phylogenetic tree of strain D1 based on 16S rRNA gene sequence

2.6 藥敏試驗(yàn)

從表3可見：菌株D1對(duì)麥迪霉素、萬古霉素和慶大霉素等11種抗菌藥物耐藥，對(duì)頭孢哌酮、新霉素和青霉素3種抗菌藥物中度敏感，對(duì)諾氟沙星、環(huán)丙沙星、呋喃唑酮等16種抗菌藥物敏感。

3 討論

3.1 黑嘴病及其致病機(jī)理

黑嘴病是中間球海膽?zhàn)B殖過程中常見的一種疾病，對(duì)海膽?zhàn)B殖具有較大的危害，可造成大規(guī)模死亡。李太武等[3]研究發(fā)現(xiàn)，黑嘴病癥狀首先是出現(xiàn)圍口膜變黑，對(duì)其組織病理切片進(jìn)行觀察后，發(fā)現(xiàn)圍口膜上無明顯病變，認(rèn)為可能是細(xì)菌通過破壞口器中的肌肉組織，使海膽無法攝食并導(dǎo)致死亡。張勃等[9]研究發(fā)現(xiàn)，患黑嘴病的海膽體腔細(xì)胞CAT活性、SOD活性和總抗氧化能力明顯降低。本研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用該病原菌(棘皮動(dòng)物弧菌)開展的研究發(fā)現(xiàn)，中間球海膽在黑嘴病病原菌入侵后，首先通過提高酸性磷酸酶等與吞噬作用相關(guān)的免疫酶活性及吞噬相關(guān)免疫基因表達(dá)等方式增強(qiáng)吞噬作用，并通過細(xì)胞凋亡和再生保持細(xì)胞數(shù)量，在感染后期，由于不能清除病原菌，吞噬作用逐漸減退，細(xì)胞壞死率大幅上升，導(dǎo)致海膽發(fā)病[10]。Hira等[11]揭示了棘皮動(dòng)物弧菌的致病機(jī)理，即該菌具有較強(qiáng)的β-溶血活性，具有殺傷宿主細(xì)胞的能力，同時(shí)還具有溶解海膽體腔細(xì)胞的能力。

表3 菌株D1的藥敏試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Drug sensitive test results of strain D1

3.2 海膽黑嘴病病原鑒定

導(dǎo)致海膽發(fā)病的媒介有許多，包括細(xì)菌、真菌和寄生蟲等，其中，細(xì)菌被認(rèn)為是大多數(shù)海膽疾病的主要病原體[12]。本試驗(yàn)中，從患病海膽體腔液中分離出一株優(yōu)勢(shì)菌D1，綜合生理生化及分子生物學(xué)方法鑒定結(jié)果，確定該菌株為棘皮動(dòng)物弧菌。而李太武等[3]的研究認(rèn)為，中間球海膽黑嘴病的病原菌為堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌，Takeuchi等[8]的研究認(rèn)為病原菌為弧菌屬。本研究中，利用分離的病原菌進(jìn)行人工回感試驗(yàn)時(shí)，能夠復(fù)制中間球海膽黑嘴病自然發(fā)病癥狀，且從人工感染的患病海膽體腔液中再次得到相同的分離菌株，證實(shí)棘皮動(dòng)物弧菌為中間球海膽黑嘴病的病原菌。

弧菌是水產(chǎn)動(dòng)物主要的致病菌，引起的病癥有多種。溶藻弧菌V.alginolyticus是導(dǎo)致海參患腐皮綜合征的主要致病菌之一[13]；方斑東風(fēng)螺Babyloniaareolata和長(zhǎng)牡蠣Crassostreagigas在感染哈維氏弧菌V.harveyi后出現(xiàn)死亡現(xiàn)象[14-15]；紅鰭東方鲀Fugurubripes在感染哈維氏弧菌后會(huì)出現(xiàn)爛鰭爛尾、體色發(fā)黑和死亡等癥狀[16]；溶珊瑚弧菌V.coralliilyticus可導(dǎo)致中間球海膽發(fā)生紅斑病[17]；強(qiáng)壯弧菌V.fortis、羅尼氏弧菌V.shilonii、哈維氏弧菌和燦爛弧菌V.splendidus是中間球海膽病變綜合征的病原菌[6]；鰻弧菌V.anguillarum可導(dǎo)致紫球海膽S.purpuratus發(fā)生禿海膽病[18]。弧菌的形態(tài)一般呈弧狀，而棘皮動(dòng)物弧菌的形態(tài)呈短桿狀。在水產(chǎn)動(dòng)物中，這種情況時(shí)有發(fā)生，如異育銀鯽Carassiusauratusgibelio腸道中存在的蛭弧菌Bdellovibriobacteriovous和青石斑魚Epinephlusawoara病魚體表及內(nèi)臟中存在的哈維氏弧菌均為短桿狀[12,19]。Hira等[20]發(fā)現(xiàn)，棘皮動(dòng)物弧菌同樣為短桿狀，菌株長(zhǎng)度為(1.9±0.1)μm，與本研究中菌株長(zhǎng)度(2.10±0.31)μm十分接近。值得注意的是，Hira等[20]在綠海膽S.droebachiensis病變表皮中分離出該菌，說明棘皮動(dòng)物弧菌也可能會(huì)導(dǎo)致海膽發(fā)生其他疾病，但本研究在回感試驗(yàn)中未觀察到感染海膽出現(xiàn)其他癥狀，這可能與感染條件(如水溫)等有關(guān)。

3.3 海膽黑嘴病的控制方法

水產(chǎn)動(dòng)物疾病的治療一直是較難攻克的問題，對(duì)于魚類等脊椎動(dòng)物來說，可研發(fā)針對(duì)特定病原的疫苗來預(yù)防感染[21]，但對(duì)于缺少獲得性免疫的無脊椎動(dòng)物來說，目前尚無疫苗用于疾病預(yù)防[22]?？咕幬镌陬A(yù)防和治療水產(chǎn)動(dòng)物細(xì)菌性疾病中發(fā)揮著重要作用[23-24]。本研究中，明確了棘皮動(dòng)物弧菌對(duì)30種抗菌藥物的敏感性，該菌對(duì)麥迪霉素、萬古霉素、克林霉素和丁胺卡那等11種抗菌藥物不敏感，對(duì)諾氟沙星和氧氟沙星等16種抗菌藥物敏感。值得注意的是，上述敏感藥物并不一定可用于預(yù)防和治療海膽的黑嘴病，原因有兩方面：一是許多抗菌藥物禁止用于水產(chǎn)動(dòng)物，是否可用必須查詢獸藥典、獸藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)公告；二是實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境復(fù)雜，藥敏試驗(yàn)和實(shí)際使用效果是否一致還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

對(duì)于海膽黑嘴病的防控，目前亟須研發(fā)綠色無抗技術(shù)，作者提出建議如下：

1)對(duì)海膽的抗病力進(jìn)行遺傳改良是提升其抗病能力的根本途徑。本課題組近期對(duì)中間球海膽不同選育家系間的抗病能力進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)不同家系間的抗病力具有顯著差異，通過構(gòu)建復(fù)合抗病指數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抗病和生長(zhǎng)性狀的復(fù)合選擇[25]。

2)通過開發(fā)生產(chǎn)海膽的特定疫苗及以病原菌為抗原制備卵黃抗體等方法，也可降低其患病概率、減少疾病損失，由于海膽的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及養(yǎng)殖規(guī)模等因素，可考慮采用浸泡法。

3)海膽?zhàn)B殖過程中，在配合飼料中添加維生素、免疫增強(qiáng)劑，以及天然植物提取物和芽孢桿菌等益生菌，均可以提高海膽的免疫力，起到一定的防病害效果。

4)海膽損傷后致病菌更易侵入，導(dǎo)致海膽發(fā)病，故在養(yǎng)殖過程中應(yīng)注意盡量避免海膽損傷。綜上所述，本研究中分離獲得的病原菌將為海膽抗病育種和提高免疫力研究提供有益參考。

4 結(jié)論

1)從患黑嘴病海膽體腔液中分離出的1株優(yōu)勢(shì)菌，菌株大小(長(zhǎng)×寬)為(2.10±0.31)μm×(0.68±0.08)μm，為革蘭氏陰性菌；通過生理生化試驗(yàn)及16S rRNA分子生物學(xué)鑒定，確定該菌株為棘皮動(dòng)物弧菌。

2)病原棘皮動(dòng)物弧菌對(duì)麥迪霉素、萬古霉素、克林霉素、丁胺卡那等11種抗菌藥物不敏感，對(duì)諾氟沙星、氧氟沙星等16種抗菌藥物敏感。恩諾沙星是喹諾酮類抑菌劑，可以嘗試在生產(chǎn)中用其預(yù)防和治療黑嘴病，抗菌藥物治療必須依據(jù)獸藥典、獸藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)公告。