張艷軍, 張萍華
(浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)
水稻白葉枯病是由水稻黃單胞菌致病變種(Xanthomonasoryzaepv.oryzae,Xoo)所引起的一種世界性的細(xì)菌病害,與稻瘟病、紋枯病一起被稱為水稻的“三大病害”.水稻遭受白葉枯病后,一般減產(chǎn)20%~30%,嚴(yán)重的可減產(chǎn)50%,甚至絕收,嚴(yán)重威脅全球農(nóng)業(yè)和糧食安全[1-3].目前,培育抗性品種是控制白葉枯病最經(jīng)濟(jì)有效的方法[4].但由于致病菌株不斷發(fā)生變異,使得抗性水稻品種逐漸表現(xiàn)出感病癥狀,因此化學(xué)防治仍是防治水稻白葉枯病不可缺少的重要手段.目前常用的化學(xué)合成藥劑主要有噻枯唑、克菌壯、葉枯唑及其復(fù)配劑和噻森銅等.這些化學(xué)合成藥劑的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn),包括:1)對(duì)水稻白葉枯病的防治效果較差,一般只有60%左右[5];2)長(zhǎng)期使用易產(chǎn)生抗藥性[6];3)產(chǎn)生農(nóng)藥殘留,污染環(huán)境,甚至影響人類健康[4].
近年來(lái),生物防治以其生態(tài)環(huán)境友好、成本低、無(wú)污染的特點(diǎn)逐漸為人們所重視,篩選和利用拮抗菌劑防治水稻白葉枯病已成為十分活躍的研究領(lǐng)域,并取得了顯著的進(jìn)展.但是由于水稻白葉枯病菌致病小種會(huì)發(fā)生變異,從而對(duì)抗病藥劑產(chǎn)生抗性,因此,從自然環(huán)境中尋找防治水稻白葉枯病的新藥劑是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作.本研究從稻田土壤、水稻植株、昆蟲腸道等環(huán)境中分離純化菌株,并以水稻白葉枯病菌生理小種P6菌株為指示菌,通過(guò)瓊脂塊法和牛津杯法,篩選出一株對(duì)水稻白葉枯病具有拮抗作用的菌株,并對(duì)其進(jìn)行了分類鑒定;在此基礎(chǔ)上,對(duì)該拮抗菌發(fā)酵液的抑菌穩(wěn)定性,即熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,獲得了該菌抑菌活性成分對(duì)不同環(huán)境因素耐受能力的相關(guān)數(shù)據(jù),為抑菌活性物質(zhì)的分離純化提供了一定的理論依據(jù).
水稻白葉枯病菌生理小種P6菌株,保存于-80 ℃冰箱中.
供試拮抗菌:從稻田土壤、昆蟲腸道、水稻植株中分離獲得.
PDA固體培養(yǎng)基(1 L):馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,瓊脂15 g,pH自然.
PD液體培養(yǎng)基(1 L):馬鈴薯200 g,葡萄糖15 g,pH自然.
改良PDA固體培養(yǎng)基(1 L):馬鈴薯300 g,蔗糖15 g,Ca(NO3)254H2O 0.5 g,Na2HPO4·12H2O 2.0 g,胰蛋白胨5.0 g,瓊脂15 g,pH自然.
改良PDA液體培養(yǎng)基(1 L):馬鈴薯300 g,蔗糖15 g,Ca(NO3)2·4H2O 0.5 g,Na2HPO4·12H2O 2.0 g,胰蛋白胨5.0 g,pH自然.
高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基(1 L):可溶性淀粉20 g,KNO31 g,K2HPO40.5 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,NaCl 0.5 g,FeSO4·7H2O 0.01 g,瓊脂20 g,pH 7.4~7.6.
孟加拉紅培養(yǎng)基(1 L):蛋白胨5 g,葡萄糖10 g,KH2PO41 g,瓊脂20 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,1/3 000孟加拉紅溶液100 mL,氯霉素0.1 g.
牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(1 L):牛肉膏3 g,蛋白胨10 g,NaCl 5 g,瓊脂15 g,pH 7.0.
鑒定培養(yǎng)基為固體淀粉培養(yǎng)基、糖發(fā)酵實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基、葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基、蛋白胨水培養(yǎng)基、Simons氏檸檬酸鹽培養(yǎng)基、明膠培養(yǎng)基等[7].
1.3.1 土壤中菌種的分離純化
用鏟子從田間種植的水稻根際區(qū)域表層5~10 cm處取土樣約200 g,用滅菌袋將土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,共采集8份.采用梯度稀釋法制備土壤懸液,分別吸取10-5,10-6和10-7土壤稀釋液0.1 mL涂布于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng);分別吸取10-3,10-4和10-5土壤稀釋液0.1 mL涂布于高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng);分別吸取10-1,10-2和10-3土壤稀釋液0.1 mL涂布于孟加拉紅培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每處理重復(fù)3次.培養(yǎng)2~3 d后挑取單菌落,接種于PDA培養(yǎng)基上保藏并進(jìn)行編號(hào),用于下一步初篩實(shí)驗(yàn).
1.3.2 昆蟲內(nèi)生菌的分離純化
在水稻田附近共采集到蜻蜓、蝴蝶、豆娘及蝗蟲4份昆蟲樣本,將它們饑餓24 h,排空體內(nèi)食物殘?jiān)┰?樣品先用蒸餾水沖洗干凈,再用75%乙醇溶液浸泡3 min,然后用無(wú)菌濾紙吸干,再用無(wú)菌生理鹽水沖洗3次,每次5 min.在無(wú)菌條件下解剖昆蟲,取出腸道置于無(wú)菌研缽中,加入1 mL無(wú)菌生理鹽水研磨,即得昆蟲腸道菌原液,再逐級(jí)稀釋獲得10-1和10-2稀釋液.取原液0.2 mL涂布于孟加拉紅培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng);取10-1菌液稀釋液0.2 mL涂布于高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng);取10-2菌液稀釋液0.2 mL涂布于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每處理重復(fù)3次.培養(yǎng)2~3 d后挑取單菌落,接種于PDA培養(yǎng)基上保藏并進(jìn)行編號(hào),用于下一步初篩實(shí)驗(yàn).
1.3.3 水稻內(nèi)生菌的分離純化
在水稻田采集有白葉枯病癥狀的整株水稻植株樣品,置于滅菌袋中帶回實(shí)驗(yàn)室處理,共6份.將樣品洗凈,取水稻的根、莖、葉、穗、葉鞘等部位各1 g,用無(wú)菌水沖洗多次,再用無(wú)菌剪刀剪碎置于無(wú)菌研缽中,加入少量石英砂和10 mL無(wú)菌水充分研磨,即得水稻內(nèi)生菌原液,逐級(jí)稀釋獲得10-1和10-2稀釋液.分別吸取0.1 mL原液、10-1稀釋液和10-2稀釋液涂布于孟加拉紅培養(yǎng)基、牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基平板上,靜置10 min后,牛肉膏蛋白胨平板倒置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),孟加拉紅平板和高氏Ⅰ號(hào)平板倒置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng).培養(yǎng)2~3 d后挑取單菌落,接種于PDA培養(yǎng)基上保藏并進(jìn)行編號(hào),用于下一步初篩實(shí)驗(yàn).
1.4.1 初篩
將采集到的菌株分別劃線接種于PDA培養(yǎng)基平板上,28 ℃恒溫培養(yǎng)活化備用;將-80 ℃冰箱中保藏的水稻白葉枯病菌菌株接種至改良PD液體培養(yǎng)基中,于180 r/min和28 ℃搖床上進(jìn)行活化培養(yǎng),當(dāng)菌體溶液的A600達(dá)到0.6時(shí),取100 μL菌液均勻涂布于改良PDA固體培養(yǎng)基平板上,備用.用直徑0.6 cm的無(wú)菌打孔器打孔得供試菌菌餅,放置于上述改良PDA固體培養(yǎng)基平板上,28 ℃恒溫培養(yǎng)36~48 h,根據(jù)抑菌圈大小初步篩選有拮抗能力的菌株,并將其進(jìn)行試管斜面和甘油管保藏.
1.4.2 復(fù)篩
將試管斜面保藏的拮抗菌接種至新鮮PDA平板中,于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d.用直徑0.6 cm無(wú)菌打孔器在長(zhǎng)有拮抗菌的平板上打孔取菌塊,再用無(wú)菌水洗下菌體,接種至裝有100 mL PD液體培養(yǎng)液的500 mL三角瓶中,于180 r/min和28 ℃搖床培養(yǎng),每隔24 h取樣.所取拮抗菌發(fā)酵液12 000 r/min冷凍離心10 min,所得上清液經(jīng)0.22 μm無(wú)菌微孔濾膜過(guò)濾后檢測(cè)其抑菌效果.
取水稻白葉枯病菌懸液100 μL均勻涂布于改良PDA固體培養(yǎng)基上,再取200 μL微濾后的發(fā)酵液,以牛津杯法檢測(cè)其對(duì)白葉枯病原菌的抑菌作用,并根據(jù)抑菌圈大小篩選抑菌效果明顯的拮抗菌株.每處理重復(fù)3次.
1.5.1 拮抗菌菌落特征及菌絲形態(tài)觀察
利用梯度稀釋法獲得拮抗菌稀釋液,分別吸取10-4,10-5和10-6稀釋液0.1 mL涂布于PDA培養(yǎng)基平板上,室溫靜置10 min后倒置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),并定期觀察菌落形態(tài)特征,同時(shí)采用印片染色法觀察菌絲形態(tài)特征.
1.5.2 拮抗菌生理生化性狀測(cè)定
參照文獻(xiàn)[7]對(duì)拮抗菌進(jìn)行甲基紅實(shí)驗(yàn)、伏普實(shí)驗(yàn)、淀粉水解實(shí)驗(yàn)、吲哚實(shí)驗(yàn)、檸檬酸鹽實(shí)驗(yàn)、碳源利用實(shí)驗(yàn)等.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,初步鑒定拮抗菌種類.
1.5.3 拮抗菌分子生物學(xué)鑒定
使用生工生物工程(上海)股份有限公司的細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒(SK1201)提取拮抗菌株基因組DNA,并以此為模板,采用通用引物[8](27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′;1541R:5′-AAGGAGGTGATCCAGCGCA-3′)進(jìn)行16S rDNA的PCR擴(kuò)增,條件為:98 ℃預(yù)變性3 min,98 ℃變性25 s,55 ℃復(fù)性25 s,72 ℃延伸1 min,30個(gè)循環(huán),72 ℃最終延伸10 min.PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳純化回收后送至生工生物工程(上海)股份有限公司測(cè)序.將獲得的菌株16S rDNA序列提交至NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù),并進(jìn)行BLAST比對(duì)檢索,調(diào)取同源性較高菌株的16S rDNA序列,用ClustalX 2.1軟件進(jìn)行多序列對(duì)比,并進(jìn)行人工校正,然后用軟件MEGA 5.05按照Neighbour-Joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,確定未知菌種的分類地位.
納米材料科學(xué)并不是一門具有完整體系和基礎(chǔ)理論的成熟學(xué)科,直到1990年7月在巴爾的摩召開的第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議,才正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支公布于世。納米材料是一門前瞻性、創(chuàng)新性、專業(yè)性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,涉及物理、化學(xué)、生物、能源、材料等多學(xué)科交叉和前沿領(lǐng)域,其教學(xué)內(nèi)容主要直接面向科研實(shí)踐的工作,需要考慮納米材料科學(xué)的以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1.6.1 拮抗菌株無(wú)菌發(fā)酵濾液制備
將拮抗菌接種至100 mL PD液體發(fā)酵培養(yǎng)液中,于轉(zhuǎn)速180 r/min、溫度28 ℃搖床中培養(yǎng)5 d,然后將拮抗菌發(fā)酵液12 000 r/min冷凍離心10 min,上清液經(jīng)0.22 μm無(wú)菌微孔濾膜過(guò)濾,即獲得拮抗菌株無(wú)菌發(fā)酵濾液.
1.6.2 拮抗菌株發(fā)酵液拮抗能力測(cè)定
制備水稻白葉枯病菌懸液,取100 μL菌液均勻涂布于改良PDA培養(yǎng)基平板上,再取200 μL拮抗菌株無(wú)菌發(fā)酵濾液,以牛津杯法檢測(cè)其對(duì)白葉枯病原菌的抑菌作用.每處理重復(fù)3次.
1.6.3 拮抗菌株發(fā)酵液抑菌穩(wěn)定性測(cè)定
1)熱穩(wěn)定性
制備拮抗菌株發(fā)酵上清液,分裝于5支小試管中,每管5 mL樣品,分別在30,50,70,90和121 ℃中保溫處理20 min,冷卻后用0.22 μm無(wú)菌微孔濾膜過(guò)濾,并檢測(cè)濾液的抗菌活性,以原始無(wú)菌發(fā)酵濾液作為對(duì)照.每處理重復(fù)3次.
2)酸堿穩(wěn)定性
制備拮抗菌株發(fā)酵上清液,分裝于9支小試管中,每管5 mL樣品,用1 mol/L NaOH溶液或1 mol/L HCl溶液將發(fā)酵濾液pH值調(diào)為2~11,處理2 h后用0.22 μm無(wú)菌微孔濾膜過(guò)濾,并檢測(cè)濾液的抗菌活性,以原始無(wú)菌發(fā)酵濾液作為對(duì)照.每處理重復(fù)3次.
制備拮抗菌株發(fā)酵上清液,在室溫條件下向培養(yǎng)皿內(nèi)加入等量的拮抗菌株發(fā)酵上清液,于紫外燈(40 W)下分別照射1,2,4 h和自然光下分別照射3,6,9 h.處理后樣品用0.22 μm無(wú)菌微孔濾膜過(guò)濾,并檢測(cè)濾液的抗菌活性,以原始無(wú)菌發(fā)酵濾液作為對(duì)照.每處理重復(fù)3次.
從采集的8份水稻根際稻田土壤、6份水稻植株和4份昆蟲(蜻蜓、蝴蝶、豆娘及蝗蟲)腸道樣品中共分離純化得到31株霉菌、29株細(xì)菌和28株放線菌,以水稻白葉枯病菌生理小種P6菌株為指示菌,通過(guò)瓊脂塊法和牛津杯法,篩選得到1株對(duì)水稻白葉枯病菌具有良好拮抗作用的菌株——12號(hào)拮抗菌株(來(lái)源于水稻根際土壤),其抑菌圈直徑達(dá)6.09 cm.
2.2.1 12號(hào)拮抗菌株的菌落特征及菌絲形態(tài)
如圖1所示,12號(hào)拮抗菌株在PDA培養(yǎng)基上菌落較大,呈圓形、微隆起、干燥、邊緣不規(guī)則且不透明.菌落正面初期為白色,5 d后呈現(xiàn)灰色;菌落背面呈微黃色.菌落質(zhì)地硬而且致密,與培養(yǎng)基連接緊密,難以挑取,具有典型的放線菌特征.如圖2所示:顯微鏡下12號(hào)拮抗菌株菌絲發(fā)達(dá),且有大量分枝;孢子絲呈螺旋狀,成熟后斷裂成孢子,孢子(spore)呈圓形.
圖1 12號(hào)拮抗菌菌落形態(tài)
圖2 12號(hào)拮抗菌菌絲和孢子形態(tài)
2.2.2 12號(hào)拮抗菌株的生理生化特性
如表1所示:12號(hào)拮抗菌株的糖(葡萄糖和乳糖)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)、甲基紅反應(yīng)、V-P實(shí)驗(yàn)和檸檬酸鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為陰性;淀粉水解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,呈陽(yáng)性;吲哚實(shí)驗(yàn)和檸檬酸鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果均呈陽(yáng)性.結(jié)合其菌落形態(tài)和菌絲形態(tài)特征,參考文獻(xiàn)[9],將12號(hào)拮抗菌株初步鑒定為鏈霉菌屬.
表1 12號(hào)拮抗菌株的生理生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果
注:+代表陽(yáng)性;-代表陰性.
2.2.3 12號(hào)拮抗菌株的分子生物學(xué)鑒定
通過(guò)克隆、測(cè)序,獲得了12號(hào)拮抗菌株的16S rDNA基因序列,長(zhǎng)度為1 459 bp.該序列在EzTaxon數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行BLAST相似性分析,根據(jù)序列同源性從高到低的原則,選取相近的12個(gè)菌株16S rDNA序列,按照N-J法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,結(jié)果見(jiàn)圖3.12號(hào)拮抗菌株與StreptomycesgramineusJR-43處于同一進(jìn)化分支,兩者序列相似性達(dá)98%,而且其形態(tài)特征和生理生化特征基本一致.因此,確定該菌株為Streptomycesgramineus.
圖3 基于12號(hào)菌株及12個(gè)系統(tǒng)發(fā)育密切相關(guān)鏈霉菌屬代表菌株16S rDNA序列構(gòu)建的鄰接系統(tǒng)發(fā)育樹
2.3.1 熱穩(wěn)定性
由圖4可知,12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液的抑菌活性隨溫度升高略有降低,但在121 ℃處理后發(fā)酵液的抑菌圈直徑仍高達(dá)4.95 cm,僅比對(duì)照降低了1.14 cm,表明12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液具有很好的熱穩(wěn)定性.
圖4 溫度對(duì)12號(hào)菌株發(fā)酵液穩(wěn)定性的影響
2.3.2 酸堿穩(wěn)定性
12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液的原始pH值為6.05,分別調(diào)至2.07,3.07,4.19,5.21,6.05,8.64,9.39和10.13.由圖5可知:12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液的抑菌活性在pH 4.19時(shí)最低,但抑菌圈直徑仍有5 cm;隨著酸/堿性的增加,12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液的抑菌活性呈逐步上升趨勢(shì),甚至在pH 2.07和pH 9.39時(shí)抑菌圈直徑達(dá)到了6.60和7.10 cm,高于對(duì)照樣品.因此,12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液具有較好的酸堿穩(wěn)定性,甚至在過(guò)酸或過(guò)堿條件下其抑菌活性較對(duì)照有所增加.
圖5 pH對(duì)12號(hào)菌株發(fā)酵液穩(wěn)定性的影響
2.3.3 光穩(wěn)定性
由圖6和圖7可知,與對(duì)照樣品相比,12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液經(jīng)自然光或紫外光照射后,抑菌活性均略有降低,但抑菌圈直徑隨著照射時(shí)間的增加并無(wú)明顯降低.因此,12號(hào)拮抗菌株發(fā)酵液具有較好的光穩(wěn)定性.
自20世紀(jì)80年代以來(lái),篩選和利用拮抗細(xì)菌防治水稻白葉枯病在世界范圍內(nèi)已成為十分活躍的研究領(lǐng)域.Velusamy等[10]從水稻根際土壤中分離得到一株熒光假單胞菌PDY7,在平板中對(duì)白葉枯病菌的抑菌直徑可達(dá)3.8 cm,在溫室和大田實(shí)驗(yàn)的防治效果分別為58.8%和51.9%.葛米紅[11]從健康水稻植株中分離得到了內(nèi)生細(xì)菌MB-1-6-6,在室外條件下對(duì)水稻白葉枯病的防治效果達(dá)69.3%.魏蘭芳等[12]篩選得到了抗生素溶桿菌13-1,含菌發(fā)酵液對(duì)水稻白葉枯病的防治效果達(dá)69.7%.周定中等[13]從昆蟲黑水虻腸道中分離得到一株對(duì)水稻黃單胞菌有很強(qiáng)抑菌活性的枯草芽胞桿菌BSF-CL,通過(guò)活性物質(zhì)的分子克隆鑒定初步推測(cè)其活性物質(zhì)可能為脂肽Iturin和Surfactin.本研究以水稻白葉枯病菌生理小種P6菌株為指示菌,從水稻根際土壤中篩選得到1株對(duì)其具有明顯拮抗作用的菌株,其抑菌圈直徑高達(dá)6.09 cm,經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知,該值為現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的最高值.根據(jù)12號(hào)拮抗菌株的菌落形態(tài)和菌絲形態(tài)特征、生理生化特征和16S rDNA序列分析結(jié)果,鑒定該菌株為Streptomycesgramineus.
圖6 自然光對(duì)12號(hào)菌株發(fā)酵液穩(wěn)定性的影響
圖7 紫外光對(duì)12號(hào)菌株發(fā)酵液穩(wěn)定性的影響
生物活性物質(zhì)能否有效地發(fā)揮作用也與自身的穩(wěn)定性有密切關(guān)系[14].即使篩選得到了抑菌效果良好的菌株,也可能因生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性差而無(wú)法在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用.本文12號(hào)菌株發(fā)酵液抑菌穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明:該拮抗菌株發(fā)酵液中的抗菌活性物質(zhì)具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性,將其作為生物農(nóng)藥具有一定的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景.但要將該抗菌活性物質(zhì)開發(fā)成新型生防制劑,充分發(fā)揮該拮抗菌的生防潛力,在理論和實(shí)踐上仍需要進(jìn)行大量研究,如拮抗菌發(fā)酵條件優(yōu)化、抗菌活性物質(zhì)的分離純化、田間防治試驗(yàn)等.目前本實(shí)驗(yàn)室已著手對(duì)該抗菌活性物質(zhì)進(jìn)行分離純化,并計(jì)劃對(duì)其結(jié)構(gòu)及抑菌機(jī)理做進(jìn)一步的研究.
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