郝志偉,蔣繼志,吳路芳,張紅霞,張荷花
(河北大學 生命科學學院,河北 保定 071002)
致病疫霉(Phytophthorainfestans)屬于藻界、卵菌門、卵菌綱(Oomycetes)、霜霉目(Eronosporales)、腐霉科(Pythiace)、疫霉屬(Phytophthora)[1],主要侵染番茄和馬鈴薯,它所引起的馬鈴薯晚疫病已成為世界第一大作物病害,全世界每年由該病造成的損失為60億~70億美元[2].由于生物防治具有環(huán)保和高效的巨大潛力已受到越來越多學者的關注.當前,針對致病疫霉及其所引起的馬鈴薯晚疫病已有許多報道,主要集中在拮抗菌菌株篩選[3]、鑒定[4]、抑菌活性測定[5]、抑菌物質(zhì)分離純化[6]、離體組織和盆栽植株防病效果檢測[7]等方面,但對拮抗菌與致病疫霉之間的關系,尤其拮抗菌抑制致病疫霉的機理研究得還不多.本研究室前期也篩選獲得了多株對致病疫霉有顯著抑制作用的拮抗菌株[8],其中放線菌Sy11菌株是本研究室劉月等[8]從種植番茄的土壤中篩選出的74株放線菌中的1株,經(jīng)鑒定為細黃鏈霉菌(Streptomycesmicroflavus).對致病疫霉菌絲生長的抑制率為86.47%,但其無菌體發(fā)酵液無抑菌作用,且發(fā)現(xiàn)Sy11只有與致病疫霉共培養(yǎng)在黑麥培養(yǎng)基上才有抑菌作用,經(jīng)初步檢測Sy11并非通過揮發(fā)性物質(zhì)抑制致病疫霉生長,而Sy11與致病疫霉對峙培養(yǎng)后兩菌落之間的無菌體瓊脂塊對致病疫霉菌絲生長的抑制率可達79.38%,在黑麥培養(yǎng)基上單獨培養(yǎng)Sy11后其菌落外圍的無菌體瓊脂塊并無抑菌作用;推測Sy11在與致病疫霉共培養(yǎng)過程中,對致病疫霉有感應現(xiàn)象,可能是致病疫霉刺激或誘導了Sy11菌株,使其產(chǎn)生了抑菌物質(zhì)[8].當前,關于微生物群體感應系統(tǒng)的研究在細菌及真菌方面已有一些報道[9],在卵菌方面研究主要集中在致病菌與其寄主植物方面[10],而有關放線菌感應致病疫霉方面的研究國內(nèi)外均未見報道.本研究室王游游等[11]和王雪寧等[12]都證實了劉月等[8]的推測,明確了Sy11對致病疫霉確有感應現(xiàn)象,即致病疫霉誘導了Sy11的抑菌作用,并發(fā)現(xiàn)只有活的致病疫霉菌體才能誘導Sy11的抑菌作用,死亡致病疫霉菌體(經(jīng)體積分數(shù)75%乙醇浸泡處理)無誘導作用,并明確了共培養(yǎng)過程中致病疫霉能分泌誘導Sy11抑菌作用的信號分子,且20 ℃共培養(yǎng)5 d后信號分子的誘導活性最高,且該信號分子易溶于甲醇,Sy11受甲醇萃取液誘導后對致病疫霉的抑制率為68.4%.但致病疫霉在哪種培養(yǎng)方式(致病疫霉單獨培養(yǎng)或與Sy11共培養(yǎng))下產(chǎn)生的信號分子對Sy11抑菌作用的誘導活性更強,該信號分子屬于哪種物質(zhì)等均不清楚.本研究擬進一步明確致病疫霉的培養(yǎng)方式與其信號分子產(chǎn)生以及誘導活性強弱之間的關系,并初步明確信號分子的物質(zhì)類別及萃取條件等,為信號分子的進一步分離、純化和利用奠定基礎,同時也為揭示致病疫霉與Sy11之間的相互關系和Sy11抑制致病疫霉的機理提供實驗依據(jù).
致病疫霉[Phytophthorainfestans(Montagne) de Bary]W101采自黑龍江克山農(nóng)場,細黃鏈霉菌(Streptomycesmicroflavus)Sy11篩選自番茄田土壤中,均由河北大學分子免疫實驗室分離、純化、鑒定和保存.所用培養(yǎng)基為黑麥固體培養(yǎng)基(Rye)、黑麥液體培養(yǎng)基(RL)和高氏1號培養(yǎng)基(GS),RL制作方法與黑麥固體培養(yǎng)基一致,配方中不加入瓊脂粉.
1.2.1 致病疫霉固體培養(yǎng)
在Rye表面鋪設與培養(yǎng)皿同等大小的玻璃紙(經(jīng)過高壓蒸汽滅菌),在玻璃紙上接種經(jīng)Rye活化培養(yǎng)的致病疫霉菌餅(Φ=10 mm),20 ℃黑暗培養(yǎng)7 d后,揭開玻璃紙打取無菌體瓊脂塊Ⅰ(Φ=10 mm),與經(jīng)GS活化培養(yǎng)的Sy11菌餅(Φ=10 mm)對峙培養(yǎng)5 d后,從兩菌落之間的正中位置打取無菌體瓊脂塊Ⅱ(Φ=10 mm),再次與致病疫霉對峙培養(yǎng)10 d,十字交叉法測量菌落直徑,評價無菌體瓊脂塊Ⅱ?qū)χ虏∫呙咕z生長的影響,以空白Rye瓊脂塊作為對照,每次重復3個平皿,實驗重復3次.
1.2.2 致病疫霉液體培養(yǎng)
參考王游游等[11]的方法以RL制備致病疫霉無菌體發(fā)酵液,然后在Rye中央接種Sy11菌餅(Φ=10 mm),在其兩側20 mm處打孔(Φ=10 mm),加入200 μL致病疫霉無菌體發(fā)酵液,培養(yǎng)5 d后從Sy11菌落與致病疫霉發(fā)酵液之間的正中位置打取無菌體瓊脂塊(Φ=10 mm),與致病疫霉對峙培養(yǎng)10 d后觀察結果,十字交叉法測量菌落直徑,每次重復3個平皿,實驗重復3次,以等體積未培養(yǎng)致病疫霉的RL作對照.
抑菌率=(對照菌落直徑-處理菌落直徑)/(對照菌落直徑-菌餅直徑)×100%
參考王雪寧等[12]的方法對致病疫霉與Sy11進行共培養(yǎng),包括對峙培養(yǎng)和混合培養(yǎng),對峙培養(yǎng)7 d后打取兩菌落之間的無菌體瓊脂塊,再與致病疫霉對峙培養(yǎng)10 d,觀察統(tǒng)計抑菌作用;液體培養(yǎng)致病疫霉5 d后加入Sy11菌體再培養(yǎng)7 d,離心并過濾除去致病疫霉和Sy11菌體,取濾液與致病疫霉對峙培養(yǎng)7 d,觀察統(tǒng)計抑菌作用;致病疫霉單獨固體培養(yǎng)和單獨液體培養(yǎng)以及誘導效果的檢測方法同1.2.
1.4.1 糖類物質(zhì)誘導活性檢測
采用醇沉糖法[13]得到多糖類物質(zhì),將致病疫霉無菌體發(fā)酵液用3倍體積的無水乙醇沉淀,4 ℃靜置24 h后離心(10 000 r/min,20 min)得到沉淀與上清液,上清液旋蒸除去乙醇后用去離子水定容到原體積;沉淀用1/4體積的石油醚溶解后反復脫脂4次,減壓除去石油醚后用20 mL去離子水溶解(50~60 ℃),按Sevage法去除蛋白類物質(zhì),最終得多糖粗提液.上清液及多糖粗提液對Sy11抑菌作用的誘導按1.2.2的方法進行.
1.4.2 蛋白質(zhì)類物質(zhì)誘導活性檢測
根據(jù)文獻[13]的方法利用硫酸銨沉淀法從致病疫霉無菌體發(fā)酵液中得到蛋白質(zhì)類物質(zhì),取20 mL致病疫霉無菌體發(fā)酵液,以質(zhì)量分數(shù)80%硫酸銨沉淀[13],離心得到上清液;沉淀經(jīng)無菌水溶解、透析除雜后,即得蛋白質(zhì)類溶液.另外,由于硫酸銨沉淀所得到的不全是蛋白質(zhì),因此又采用Sevage法[13]得到除去致病疫霉無菌體發(fā)酵液中蛋白質(zhì)后的非蛋白類物質(zhì),將1/4體積的Sevage試劑(氯仿與正丁醇體積比為5∶1)加入20 mL致病疫霉無菌體發(fā)酵液中,震蕩、離心后除去變性蛋白,重復操作至水相與有機相溶液界面無凝膠絮狀物產(chǎn)生;收集水相部分,有機相部分旋蒸除去有機試劑,用等體積去離子水定容得到有機相溶液.以上硫酸銨沉淀后得到的上清液和蛋白類溶液及Sevage法得到的水相和有機相溶液對Sy11抑菌作用的誘導按照上述1.2.2的方法進行.
1.4.3 脂類物質(zhì)誘導活性檢測
參考Folch法[14]用氯仿-甲醇溶液(2∶1,體積比)萃取致病疫霉無菌體發(fā)酵液中的脂類物質(zhì),在20 mL致病疫霉無菌體發(fā)酵液中緩慢加入氯仿-甲醇溶液(10∶3,體積比),邊加邊攪拌,常溫下靜置1 h,待溶液有機相、沉淀、水相分開后,有機相經(jīng)旋蒸除去有機試劑,去離子水定容到原體積即得脂類物質(zhì)粗提液;水溶液用去離子水定容到原體積.水溶液及脂類粗提液對Sy11抑菌作用的誘導按照1.2.2的方法進行.
參考文獻[15]的方法,采用石油醚、乙酸乙酯、95%(體積分數(shù))乙醇3種不同極性的有機試劑對致病疫霉無菌體發(fā)酵液中的脂類信號分子物質(zhì)進行萃取,分別得到不同試劑的萃取液及其萃余液,萃取液及其萃余液對Sy11的誘導按照1.2.2的方法進行.
實驗數(shù)據(jù)均采用2016版Excel進行編輯處理,采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行方差分析.
利用玻璃紙平板法在Rye上單獨培養(yǎng)致病疫霉后(圖1a),用玻璃紙下的瓊脂塊Ⅰ(圖1b)誘導Sy11菌株(圖1c),再取經(jīng)過瓊脂塊Ⅰ誘導后的Sy11菌落與瓊脂塊Ⅰ之間的瓊脂塊Ⅱ與致病疫霉對峙培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)Sy11經(jīng)誘導后的無菌體瓊脂塊(瓊脂塊Ⅱ)對致病疫霉菌絲生長有顯著的抑制作用,菌落直徑為29.5 mm(圖1d),對照(圖1e,未培養(yǎng)致病疫霉的空白瓊脂塊)菌落直徑為80 mm,兩者之間達到極顯著差異(P<0.01).表明致病疫霉在固體Rye上單獨培養(yǎng)可產(chǎn)生誘導Sy11抑菌作用的信號分子,并能分泌到培養(yǎng)基中,且誘導活性很強.
a.單獨培養(yǎng)致病疫霉;b.瓊脂塊Ⅰ;c.瓊脂塊Ⅰ誘導Sy11菌株;d.瓊脂塊Ⅱ與致病疫霉;e.空白瓊脂塊與致病疫霉.
為了明確致病疫霉經(jīng)液體培養(yǎng)后是否也產(chǎn)生誘導Sy11抑菌作用的信號分子,檢測了致病疫霉經(jīng)RL單獨培養(yǎng)的無菌體發(fā)酵液對Sy11抑菌作用的誘導.結果顯示,無菌體發(fā)酵液與Sy11對峙培養(yǎng)(圖2a)后兩者之間的無菌體瓊脂塊(圖2b)對致病疫霉菌絲生長具有明顯的抑制作用:菌落直徑為30.5 mm(圖2c),對照(圖2d,未培養(yǎng)致病疫霉的RL)菌落直徑為82 mm,兩者之間達到極顯著差異(P<0.01)).說明致病疫霉經(jīng)液體培養(yǎng)也可產(chǎn)生誘導Sy11產(chǎn)生抑菌物質(zhì)的信號分子.
a.致病疫霉無菌體發(fā)酵液誘導Sy11; b.誘導后取無菌體瓊脂塊; c.無菌體瓊脂塊與致病疫霉; d.空白RL對照.
實驗進一步比較了致病疫霉單獨培養(yǎng)(單獨固體培養(yǎng)和單獨液體培養(yǎng))以及與Sy11共培養(yǎng)(對峙培養(yǎng)和混合培養(yǎng))在誘導Sy11抑菌作用方面的差異,結果如圖3所示.由圖3可以看出,在4種不同培養(yǎng)方式中,對峙培養(yǎng)后致病疫霉對Sy11抑菌作用的誘導活性最強,其無菌體瓊脂塊對致病疫霉菌絲體生長的抑制率為80.28%,其次是混合培養(yǎng)(抑菌率為76.15%),而單獨固體培養(yǎng)下致病疫霉的誘導活性最弱(抑菌率為72.55%).可見致病疫霉與Sy11共培養(yǎng)比其單獨培養(yǎng)對Sy11的誘導活性強.但統(tǒng)計分析表明,4種培養(yǎng)方式下致病疫霉對Sy11抑菌作用的誘導活性并無顯著性差異.由于致病疫霉單獨液體培養(yǎng)方式比其他3種培養(yǎng)方式更便于分析無菌體發(fā)酵液中的信號分子,因此,后續(xù)實驗選用致病疫霉單獨液體培養(yǎng)方式.
小寫字母表示不同培養(yǎng)方式下抑菌效果差異
2.3.1 多糖類物質(zhì)的誘導作用
單獨培養(yǎng)的致病疫霉無菌體發(fā)酵液經(jīng)過濾除菌、乙醇沉淀、石油醚除脂、Sevage法去蛋白質(zhì)后得到的多糖粗提液以及乙醇沉淀后的上清液,分別對Sy11誘導培養(yǎng)5 d后,打取兩者之間的無菌體瓊脂塊再與致病疫霉對峙培養(yǎng),結果顯示,空白對照(圖4a)和RL對照(圖4b)的菌落直徑均為85 mm,多糖粗提液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉的抑制作用較弱,菌落直徑為61.5 mm(圖4c),而乙醇沉淀后的上清液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊則表現(xiàn)出很強的抑菌作用,菌落直徑為26.8 mm(圖4d);2種處理與對照之間均達到顯著性差異(P<0.05),2種處理之間也達到了顯著性差異(P<0.05).說明致病疫霉產(chǎn)生的信號分子主要存在于乙醇沉淀后的上清液中,不屬于多糖類物質(zhì)或與多糖類物質(zhì)關系不大,也說明乙醇不易獲得該信號分子.
a.空白對照;b.RL對照;c.多糖粗提液;d.乙醇沉淀后的上清液.
2.3.2 蛋白類物質(zhì)的誘導作用
以質(zhì)量分數(shù)80%硫酸銨對致病疫霉無菌體發(fā)酵液進行沉淀,得到的沉淀與上清液分別對Sy11誘導培養(yǎng)5 d后,再取兩者之間的無菌體瓊脂塊與致病疫霉對峙培養(yǎng).發(fā)現(xiàn)空白對照(圖5a)和RL對照(圖5b)的菌落直徑均為85 mm,硫酸銨處理后的沉淀誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉的抑制作用較弱,菌落直徑為60 mm(圖5c),而上清液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊則有很強的抑菌作用,菌落直徑為33 mm(圖5d),2種處理之間達到顯著性差異(P<0.05),表明致病疫霉產(chǎn)生的信號分子主要存在于硫酸銨沉淀后的上清液中,不屬于蛋白質(zhì)類物質(zhì)或與蛋白質(zhì)類物質(zhì)關系不大,也說明用硫酸銨不易獲得該信號分子;為進一步驗證硫酸銨沉淀后的蛋白質(zhì)類物質(zhì)是否有誘導作用,以Sevage試劑處理致病疫霉無菌體發(fā)酵液,使其中的蛋白質(zhì)類物質(zhì)變性或降解,得到的上清液(水相)與變性成分(有機相)分別對Sy11誘導培養(yǎng)5 d后,再取兩者之間的無菌體瓊脂塊與致病疫霉對峙培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)上清液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉有顯著的抑菌作用,菌落直徑為32 mm,而變性成分(有機相)誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉的抑制作用很弱,菌落直徑為59.2 mm,兩者之間也達到顯著性差異(P<0.05).表明致病疫霉產(chǎn)生的信號分子主要存在于Sevage試劑處理后的上清液(水相)中,不屬于蛋白質(zhì)類物質(zhì)或與蛋白類物質(zhì)無關.
a.空白對照;b.RL對照;c.蛋白質(zhì)類物質(zhì);d.上清液.
2.3.3 脂類物質(zhì)的誘導作用
利用氯仿-甲醇(2∶1,體積比)溶液對致病疫霉無菌體發(fā)酵液進行萃取后,得到氯仿層脂類粗提液和水溶液,分別對Sy11誘導培養(yǎng)5 d后,取兩者之間的無菌體瓊脂塊再與致病疫霉對峙培養(yǎng),結果顯示,空白對照(圖6a)和RL對照(圖6b)的菌落直徑均為85 mm,脂類粗提液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉菌絲生長的抑制作用很強,菌落直徑為32.8 mm(圖6c),遠優(yōu)于水溶液誘導后的抑菌作用,菌落直徑為56 mm(圖6d),兩者之間達到顯著性差異(P<0.05).說明致病疫霉產(chǎn)生的信號分子屬于氯仿-甲醇萃取的脂類物質(zhì),或以脂質(zhì)類物質(zhì)為主.
在上述已初步明確致病疫霉產(chǎn)生的能誘導Sy11抑菌作用的信號分子基本屬于脂類物質(zhì)或以脂類物質(zhì)為主的基礎上,進一步選擇常用提取脂類物質(zhì)的95%(體積分數(shù))乙醇、乙酸乙酯和石油醚進行萃取,得到了3種溶劑的萃取液和萃余液,分別對Sy11誘導培養(yǎng)5 d后,取兩者之間的無菌體瓊脂塊與致病疫霉對峙培養(yǎng).結果發(fā)現(xiàn),95%(體積分數(shù))乙醇和乙酸乙酯萃取液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊均對致病疫霉菌絲生長有明顯抑制作用,菌落直徑分別為46 mm(圖7Aa)和35 mm(圖7Ab),但石油醚萃取液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊無明顯抑制作用(圖7Ac),對照組菌落直徑為84 mm(圖7Ad),乙醇和乙酸乙酯萃取液與對照之間均達到極顯著差異(P<0.01);另外,3種試劑的萃余液分別誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉菌絲生長也均有一定的抑制作用,菌落直徑分別為48.67、52.67和47.33 mm(圖7Ba-c),與對照組(菌落直徑為84 mm,圖7Bd)相比均達到顯著性差異(P<0.05),其中在體積分數(shù)95%乙醇和石油醚的萃余液中仍然含有較多信號分子,而在乙酸乙酯萃余液中的信號分子相對較少,說明乙酸乙酯的萃取效果較其他2種試劑更加明顯.
左圖,A.萃取液;B.萃余液;a.乙醇;b.乙酸乙酯;c.石油醚;d.Control. 右圖,小寫字母表示不同試劑萃取液抑菌效果差異;*表示不同試劑萃余液的抑菌效果差異顯著(P<0.05),**表示不同試劑萃余液的抑菌效果差異極顯著(P<0.01).
群體感應(quorum-sensing,QS),也稱為群感效應或群體效應,是微生物通過向外分泌并感應小分子物質(zhì)來控制整個細菌群體行為活動的一種信號交流機制[9].目前對于微生物群體感應現(xiàn)象的研究主要集中在細菌群體之間,細菌的信號分子已發(fā)現(xiàn)4類:1)脂肪類衍生物,主要由革蘭氏陰性細菌產(chǎn)生,多為N-?;呓z氨酸內(nèi)酯( AHLs) ;2)氨基酸和短肽類(AIP),主要是革蘭氏陽性細菌產(chǎn)生;3)呋喃硼酸二酯(AI-2),部分革蘭氏陰性和陽性細菌都可以產(chǎn)生,主要是不同種間細胞交流的通用信號分子;4)二酮哌嗪類(DKPs);最近研究發(fā)現(xiàn),有些細菌可利用2種甚至3種不同信號分子調(diào)節(jié)自身群體行為[9].相比細菌來說,真菌間感應信號現(xiàn)象的研究相對較少,但也已發(fā)現(xiàn)了一些感應信號分子,主要有白念珠菌的金合歡醇(famesol)、酪氨醇(tyrosol)、釀酒酵母的苯基乙醇(phenylethylalcohol)和色氨酸(tryptophol)以及α-交配因子(α-factor)等[9].有關卵菌群體感應現(xiàn)象的研究主要集中在致病菌與宿主植物之間,對卵菌致病疫霉效應分子的研究,主要集中在致病疫霉與馬鈴薯的相互作用模式中[16-17],致病疫霉在侵染馬鈴薯的過程中,通常采用一種迷惑戰(zhàn)術,即先產(chǎn)生一種效應分子RXLR(例如IPI-O1)去誘發(fā)馬鈴薯等多種植物產(chǎn)生過敏性反應(hypersensitive reaction, HR),促使植物局部細胞迅速死亡,限制病菌進一步擴展以保護整體植株;但當植物通過消耗體內(nèi)與抗病相關的許多能量與物質(zhì)完成HR這一過程后,致病疫霉則會產(chǎn)生其他的效應分子RXLR(例如PITG、PexRD 或Avar3a編碼的產(chǎn)物)來干擾或消弱植物的免疫抗病反應,并誘發(fā)植物接受致病疫霉的侵染.但對于不同微生物群體之間,例如細菌與真菌之間、放線菌與真菌之間、放線菌與卵菌之間的感應現(xiàn)象,尤其是植物病原菌與其拮抗菌之間感應現(xiàn)象的研究均未見報道[18].
王游游等[11]已明確放線菌Sy11在與致病疫霉對峙培養(yǎng)過程中,對致病疫霉確有感應現(xiàn)象,即致病疫霉刺激或誘導了Sy11菌株,且只有活的致病疫霉菌體才有誘導作用,死亡的菌體無誘導作用,利用甲醇較易萃取得到致病疫霉產(chǎn)生的誘導Sy11的信號分子物質(zhì),甲醇萃取物誘導Sy11后對致病疫霉菌絲生長的抑制率為68.4%.本實驗在此基礎上明確了致病疫霉單獨培養(yǎng)時也會產(chǎn)生這種信號分子,單獨固體培養(yǎng)與單獨液體培養(yǎng)后產(chǎn)生的信號分子對Sy11的誘導沒有顯著差異,并發(fā)現(xiàn)致病疫霉與Sy11共培養(yǎng)(對峙培養(yǎng)和混合培養(yǎng))后產(chǎn)生的信號分子對Sy11抑菌作用的誘導活性高于單獨培養(yǎng),但彼此之間并無顯著性差異;另外,本實驗對致病疫霉產(chǎn)生的信號分子的物質(zhì)類別進行了初步分析,發(fā)現(xiàn)該信號分子不屬于蛋白質(zhì)類或多糖類物質(zhì),屬于脂類物質(zhì)或至少以脂類物質(zhì)為主,用石油醚不能萃取得到該物質(zhì),95%乙醇也只能萃取得到其中的一部分,而乙酸乙酯的萃取效果相對較好,萃取液誘導Sy11后的無菌體瓊脂塊對致病疫霉菌絲生長的抑制率為67.57%,說明乙酸乙酯也比較適合從致病疫霉無菌體發(fā)酵液中萃取信號分子,這與本實驗室前期王游游等[11]報道的利用甲醇萃取的結果較好不一致,可能是所用試劑種類以及具體的萃取過程不同所致.以上實驗結果進一步完善了對致病疫霉誘導Sy11抑菌作用的認識,同時也為后續(xù)對信號分子的分離純化及理化性質(zhì)研究提供了依據(jù).