梁巧蘭,韓 亮,周其宇
(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅 蘭州 730070)
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深綠木霉T2發酵液蛋白分離物誘導抗病作用研究
梁巧蘭,韓亮,周其宇
(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅 蘭州730070)
采用生長速率法和產孢量測定法,研究了不同培養基和溫度、pH、接菌量、培養基量對深綠木霉T2生長和產孢量的影響。結果表明,PDA培養基有利于深綠木霉T2的生長;深綠木霉T2發酵產孢最優條件為溫度25℃、pH 7、接菌量為0.05 mL/L、培養基量為100 mL/250 mL,此條件下發酵72 h時產孢量最大,為1.5×109個/mL;76 h時產孢量下降;發酵液通過鹽析及凝膠層析獲得具有3個洗脫峰的蛋白質液,分別為Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ;采用生長速率法和誘導活體接種法分別測定不同濃度的3個洗脫液對百合灰霉菌的抑菌率及其誘導抗病效果,結果表明洗脫峰Ⅰ蛋白質的100倍液對百合灰霉菌的抑菌率最小,僅為1.16%,而其誘導抗病效果最好,為84.77%。
深綠木霉T2菌株;發酵條件優化;蛋白質分離物;誘導抗病作用;百合灰霉菌
木霉屬(Trichodermaspp.)真菌屬半知菌亞門、絲孢綱、絲孢目的粘孢菌類,是一類普遍存在的真菌,常見于土壤中,是土壤微生物的重要組分之一,也見于植物殘體及動物糞便中,經常可以從植物根圍、葉圍及種子、球莖表面分離到。目前發現的木霉菌有30多種,其中,有許多具有生防潛力,如哈茨木霉(T.harzianum)、綠木酶(T.virid)、康氏木霉(T.koningii)、鉤木霉(T.hamatum)和長枝木霉(T.longibrachiatum)等[1]。據資料統計,木霉菌至少對18 屬29 種植物病原真菌具有拮抗作用,由于其具有廣譜性、適應性強等特點而被廣泛應用于農業的各個方面。目前對木霉生防機制研究較為深入,但大多集中在微生物之間的相互作用,而忽略了寄主植物種類的選擇。近年研究發現,有些木霉菌株可定殖于植物根部成為植物的共生體,或通過木霉發酵液處理植物根部,不僅可以促進植物的生長而且還可誘導植物的抗病性[2-6],這是因為木霉菌能夠分泌抗生素類及酶類物質[7]。而有關深綠木霉T2發酵液對植物誘導抗病作用的研究報道很少。為此,試驗從培養基、培養條件兩方面對深綠木霉T2菌株發酵條件進行優化,對優化條件下深綠木霉T2菌株發酵液中的蛋白質進行了分離提取,并測定了不同濃度蛋白質對百合灰霉菌的抑制作用及誘導抗病效果,旨在為進一步探討深綠木霉T2代謝產物對百合灰霉菌的誘導抗病機理,為開發深綠木霉新型生物農藥提供理論依據。
1.1發酵培養基篩選
試驗材料為甘肅農業大學實驗室保存的深綠木霉T2、百合灰霉菌,種植于實驗室中的百合幼苗。
分別以玉米粉、麥麩、燕麥片、葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖為碳源,按下列組合制成不同培養基。接種在PDA上培養3 d的T2菌餅上,用十字交叉法測量菌落直徑,并用直徑5 mm的打孔器打制菌餅9枚置于10 mL滅菌水中振蕩配制孢子懸浮液,用血球計數板鏡檢產孢量,篩選出深綠木霉T2最佳發酵培養基[8]。
PDA培養基:馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,酵母粉為5 g,瓊脂17 g,用自來水定容至1 000 mL;玉米粉培養基:玉米粉+不同碳源(葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖)+酵母粉+瓊脂,不同碳源20 g;麥麩培養基:麥麩+不同碳源(葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖)+酵母粉+瓊脂,不同碳源20 g;燕麥培養基:燕麥片+不同碳源(葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖)+酵母粉+瓊脂,不同碳源20 g;其中,后3種培養基其他成分同PD。
1.2不同發酵條件對深綠木霉產孢的影響
不同溫度對深綠木霉產孢的影響:向裝有100 mL滅菌PDB培養液(馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,酵母粉5 g,自來水定容至1 000 mL)的250 mL三角瓶中接種1 mL T2孢子懸浮液(1×105個/mL),分別置于10、20、25、30℃條件下振蕩培養(150 r/min),每處理重復3次。
不同pH對產孢的影響:將滅菌PDB培養液用1 mol/L NaOH或l mol/L HCl溶液調節pH分別為5、6、7、8、9然后分裝于滅菌的250 mL三角瓶中,每瓶接種1 mL孢子懸浮液(1×105個/mL),于25℃條件下振蕩培養(150 r/min),每次處理重復3次,于72 h后取上清液1 mL加入9 mL無菌水。
不同量培養基對產孢的影響:250 mL三角瓶中分別裝入50、100、150、180 mL滅菌的PDB培養液,每瓶接種1 mL孢子懸浮液(1×105個/mL)。置于最適溫度條件下振蕩培養(150 r/min),每個處理重復3次。
接種量對產孢的影響:將滅菌的PDB培養液調節至最適pH,將最適量培養基裝入250 mL三角瓶中,接種量分別設為0.05、0.50、1.00、1.50 mL孢子懸浮液(1×105個/mL)。于25℃下振蕩培養(150 r/min),每個處理重復3次。
分別于72 h后取上述各處理的上清液1 mL加入9 mL無菌水,用血球計數板鏡檢產孢量[8]。
1.3木霉發酵液的制備及發酵液中蛋白質分離提取
試驗在BIOF生物發酵罐中進行,發酵規格10 L,發酵液為PDB(馬鈴薯200 g/L、葡萄糖20 g/L、酵母粉5 g/L),酵母粉在發酵液中起生長因子的作用[9]。接菌液為深綠木霉T2孢子懸浮液1 mL接種于裝有100 mL培養液的250 mL三角瓶中,置于25℃搖床(150 r/min),培養2 d,即為種子液。發酵條件按篩選的最佳條件設置,發酵開始后,每4 h取樣1次,用血球計數板鏡檢產孢量,確定產孢量最大的時間及放罐時間;當產孢量達到最大時停止發酵,待發酵罐冷卻后放罐,發酵液在4℃下5 000 r/min 離心10 min,取上清液,濾紙過濾,將一些懸浮的孢子和其他的雜質去除[10];4℃條件下采用硫酸銨鹽析,硫酸銨過飽和后靜置20 min,在4℃下5 000 rpm離心30 min。棄去上清液,以小量PBS溶解沉淀,裝于透析袋中,以三蒸水作為透析緩沖液,4℃下透析除去殘留的硫酸銨,每30 min更換1次透析液,采用納氏試劑檢驗是否有NH4+殘留,直至除去全部NH4+,獲得深綠木霉T2發酵液粗蛋白,備用。
以Tris-HCl緩沖液120 mL(pH 8.0,Tris-HCl 0.02 mol/L,NaCl 0.09 mol/L) 溶脹約3.7 g Sephadex G-100凝膠,裝入層析柱(40×1 cm ) ,連接Tris-HCl洗脫緩沖液層析柱與收集裝置,以0.2 mg/mL VB12為標準作檢測層析,如果VB12的黃色條帶水平整齊的下行,則可使用此層析柱;否則應傾出凝膠再次裝填層析柱,直到檢測層析結果符合上述要求[11]。
取3 g深綠木霉T2發酵液粗蛋白,溶于2 mL洗脫緩沖液中,上樣前在4℃條件下,3 000 r/min離心5 min,除去干擾層析的不溶物,以1 mL蛋白溶液上樣,流速6滴/min,2 mL/管,收集蛋白溶液并用紫外分光光度計測定D595nm值(每管取50 μL樣品,加入考馬斯亮藍G-250 200 μL,混勻,5 min內測定D595nm),并繪制洗脫曲線,對D595nm相近的樣品進行合并,獲得深綠木霉T2發酵液蛋白質分離物,分別用于對百合灰霉菌抑菌作用和誘導百合抗灰霉菌作用效果測定。
1.4分離蛋白質對百合誘導抗病作用
1.4.1不同濃度分離蛋白質對百合灰霉菌抑制作用測定分別量取PDA培養基45、49.5、49.9、49.95 mL置于三角瓶中,經滅菌后冷卻到45℃,在無菌條件下分別加入分離蛋白質5、0.5、0.1、0.05 mL,混合均勻,制成PDA平板,使分離蛋白質的終濃度分別為10、100、500、1 000倍液,然后,將培養4 d的百合灰霉菌菌餅(Ф=0.5 cm)接種于PDA平板上,放置于25℃恒溫恒濕培養箱中培養4 d后,用十字交叉法測量灰霉菌落直徑大小,按公式計算分離蛋白質對灰霉菌的抑菌率[12]。
1.4.2分離蛋白質對百合灰霉病誘導抗病作用測定

用不同分離相的蛋白質(10、100、500、1 000倍液),噴霧處理健康的百合幼苗,48 h后用1×106個/mL的灰霉菌孢子懸浮液進行噴霧接種,以噴滅菌水為對照,每處理10株,重復3次,15 d后根據以下分級標準,觀察記錄發病情況,并用公式計算病情指數及誘導抗病效果[12-13]。
病害分級標準:0 級—葉片無病斑;1 級—病斑面積占整個葉面積1%以下;2 級—病斑面積占整個葉面積的2%~5%;3 級—病斑面積占整個葉面積6%~20%;4 級—病斑面積占整個葉面積的21%~40%;5級—病斑面積占整個葉面積的40%以上。

誘導抗病效果(%)=
1.5數據分析
采用DPS 3.0軟件對所測數據統計分析,用平均
值表示測定結果,采用Excel 2010制表。
2.1培養基篩選
通過培養基篩選試驗,發現以葡萄糖為糖源時深綠木霉T2在馬鈴薯、玉米粉、麥麩、燕麥4種培養基上生長速度明顯快于以果糖、蔗糖、麥芽糖作為糖源的4種培養基,且菌落直徑之間存在顯著差異;在同一糖源不同培養基上以馬鈴薯葡萄糖培養基、玉米果糖培養基、麥麩果糖培養基、馬鈴薯麥芽糖培養基、燕麥麥芽糖培養基更有利于T2的生長較好,方差分析表明,96 h時以上培養基培養的T2菌落直徑與其他培養基培養的菌落直徑之間存在顯著差異;以馬鈴薯、果糖為糖源時馬鈴薯培養基和其他3種培養基的產孢量之間存在顯著差異,且高于其他糖源不同培養基的產孢量(表1)。

表1 不同培養基下深綠木霉T2的生長及產孢量
注:小、大寫字母分別表示0.05水平上同一培養基不同糖源、不同培養基同一糖源菌落直徑及產孢量的差異顯著性
2.2不同條件對深綠木霉T2產孢的影響
2.2.1溫度對深綠木霉T2產孢量的影響溫度對深綠木霉T2產孢量有一定影響,其中,25℃條件下產孢量最大,為5.75×109個/mL,30℃條件下產孢量最低,為3.54×109個/mL,而15,20℃條件下的產孢量介于二者之間(圖1)。

圖1 不同溫度下T2的產孢量Fig.1 Effects of different temperatures on T2 sporulation
2.2.2pH對深綠木霉T2產孢量的影響pH為7時有利于深綠木霉T2孢子的產生,產孢量最大,為5.97×109個/mL,pH為8時產孢量次之,為4.94×109個/mL,而pH為9時的產孢量最低,為2.89×109個/mL,pH為5、6時的產孢量均大于4.0×109個/mL(圖2)。

圖2 pH值下T2的產孢量Fig.2 Effects of pH values on T2 sporulation
2.2.3不同量培養基對產孢量影響在250 mL三角瓶中隨著培養基量的增多,深綠木霉T2產孢量逐漸增加,當培養基量為100 mL/250 mL時,產孢量最大,為6.34×109個/mL;但是,當培養基量增加到180 mL/250 mL時,產孢量下降為3.06×109個/mL(圖3)。
2.2.4接種量對產孢的影響隨著接種量的增大,產孢量逐漸降低,當接種量為T2孢子懸浮液0.05 mL(1×105個/mL)時,產孢量最大,為5.00×109個/mL,接種量為1.50 mL時產孢量最小,為3.54×109個/mL(圖4)。

圖3 不同量培養基下T2的產孢量Fig.3 Effects of different content medium on T2 sporulation

圖4 不同接菌量下T2的產孢量Fig.4 Effects of fifferent inoculation on T2 sporulation
2.3木霉發酵液的制備及蛋白質的分離提取
發酵條件根據2.2中篩選的參數設置,在BIOF生物發酵罐中發酵,每4 h取樣檢測發現,72 h時產孢量最大,為1.5×109個/mL,76 h產孢量逐漸下降(圖5)。
通過對深綠木霉發酵液中蛋白質的分離提取,獲得的蛋白質在波長為595 nm時,D值出現了3個吸收峰(圖6),將D值接近的蛋白質合并,獲得了3組蛋白質。
2.4分離蛋白質對百合誘導抗病作用
通過3組分離蛋白質對百合灰霉菌抑菌率測定,結果表明第1組蛋白質10倍液的抑菌率最大,為32.93%, 100倍液抑制率較低,僅為1.16%,而500和1 000倍液均沒有抑制作用(表2);誘導抗病作用測定,發現分離蛋白質100倍液對百合抗灰霉病的誘導效果最好,為84.77%,且與其他處理的誘導抗病效果之間存在極顯著差異(表3)。

圖5 深綠木霉T2發酵不同時間產孢量Fig.5 Sporulation of Trichoderma atroviride T2 in the fermentation process difference times

圖6 從深綠木霉T2發酵液中分離提取的蛋白質洗脫曲線Fig.6 Elution profile of protein from Trichoderma atroviride T2 fermentation liquid deparation
發酵條件優化試驗發現,深綠木霉T2最佳培養基為馬鈴薯葡萄糖酵母粉培養液,最適培養條件為溫度25℃、pH為7、接菌量為0.05 mL/150 mL培養基、培養基量為100 mL/250 mL(培養基/三角瓶容積);利用該優化條件對深綠木霉T2發酵培養后,從發酵液中分離獲得了3組吸收峰不同的蛋白質,測定了不同濃度分離蛋白質對百合灰霉菌的抑菌率及其誘導抗病效果,結果表明洗脫峰Ⅰ蛋白質100倍液對百合灰霉菌的抑菌率最小,僅為1.16%,而其誘導抗病效果最好,為84.77%。

表2 分離蛋白質對百合灰霉菌抑菌率(4 d)和誘導抗病效果(15 d)
注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)
研究認為木霉菌生長最好的碳源為葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、海藻糖和纖維二糖[14];蛋白胨即可作為碳源又可作為氮源;在液體發酵培養基中應用糖蜜-酵母粉培養基模擬工業化生產條件研究木霉在20 L發酵罐中的生長情況,發現采用這種培養基可以獲得比較理想的結果,孢子含量可達109個/g干重[15]。以棉籽粉或玉米漿代替啤酒酵母也可以產生理想的效果;Jackson[16]研究發現,在葡萄糖-丙氨酸基礎培養基上產生的菌絲干重比在糖蜜-酵母培養基上產生的高。Lew is[17]研究發現,糖蜜-玉米漿培養基在支持木霉的生長與產孢方面優于蔗糖-硝酸培養基和葡萄糖-酒石酸培養基。國內有研究者應用蟲草頭孢廢液,添加幾種中草藥(青蒿、黃芩、貫眾和板蘭根)作為培養基,接種哈茨木霉(T.harzianum)的分生孢子進行培養,可獲得1.67×108個孢子/皿[18-22];另外礦質元素、維生素、溫度、pH、光照等對木霉菌的生長也有一定的影響;而此次試驗僅以玉米粉、麥麩、燕麥片、葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖為碳源,以酵母粉為氮源,對深綠木霉T2在16種組合培養基上的生長情況進行了測定,并以篩選出的生長速度快產孢量最大的馬鈴薯+葡萄糖+酵母粉培養基作為液體發酵培養基,從溫度、pH、接菌量、培養基量4個方面對T2發酵條件進行了優化,對其他方面還有待于進一步探討。
植物誘導抗病性被認為是植物保護技術的新途徑[13]。真菌蛋白激發子對植物的誘導抗性研究是近年來國際上植物病理學研究的熱點之一[23-24]。近年來研究發現,木霉菌除了直接或間接地抑制病原菌外,還能夠促進種子萌發[25]、誘導作物產生系統抗病性,綠木霉、棘胞木霉、深綠木霉、哈茨木霉等均可誘導植物獲得對廣譜性致病真菌、細菌、病毒等微生物的局部或系統抗性。但是,有關從木霉菌中分離純化激發子及其對食用百合的誘導抗病作用研究國內尚屬空白,國外僅有從綠木霉中得到的多肽或蛋白質激發子如Sm1、類抗菌肽和哈慈木霉T22分泌的與番茄葉霉菌Avr4和Avr9同源的蛋白質激發子等幾例報道[26-30]。其誘導抗病機理之一就是木霉產生了能夠誘導植物產生抗病性的激發子,如有酶活性或其他功能的蛋白質、類抗菌肽、Avr同源體、低聚糖或低分子量化合物。許多木霉能產生木聚糖酶誘導植物乙烯的合成,從而激發植物的防御反應[26]。哈慈木霉分離物Th8,Th1和TH10處理紅辣椒后葡聚糖酶活性增強[27];木霉產生的細胞壁降解酶(如幾丁質酶、葡聚糖酶、蛋白酶等)能夠降解病原真菌細胞壁,并釋放出低分子量化合物,誘導植物防御相關酶的合成[28];而有關來源于深綠木霉T2發酵液的、能夠誘導百合抗灰霉病的蛋白質分離物究竟為何種物質的問題還需要進一步研究。
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Study on induced resistant of protein isolate from fermentation broth ofTrichodermaatrovirideT2
LIANG Qiao-lan,HAN Liang,ZHOU Qi-yu
(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)
The effects of medium,temperature,pH value,inoculation amount on the growth and sporulation ofTrichodermaatrovirideT2 were studied and the result indicated that PDA medium performed better and its sporulation optimum fermentation conditions were 25℃,pH 7,inoculation amount of 0.5 mL/L,medium content of 100 mL/250 mL,sporulation reached the maximum at 72 h under these conditions,it was 1.5×109/mL sporulation began to decline at 76 h by growth rate method and spore production measurement method.Three proteins eluted peaks from fermentation brothTrichodermaatrovirideT2 were obtained by (NH4)2SO4precipitation and gel filtration chromatography,they were Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ,respectively and their inhibition rates and induced resistance effects on their different concentrations to lilyBotrytiscinereawere measured by growth rate method and the induced in vivo inoculation method.The inhibition rate of protein elution peak Ⅰ 100 times was the minimum (1.16%),while its induced resistance was the best (84.77%).
TrichodermaatrovirideT2 strains;fermentation conditions optimization;protein isolates;induced resistance;lilyBotrytiscinerea
2016-02-27;
2016-05-18
甘肅省財政廳項目“深綠木霉T2蛋白激發子TraT2A分離純化及誘導抗病作用機理研究”(甘財教2013(116))資助
梁巧蘭(1968-),女,甘肅省平涼市崇信縣人,博士,副教授,主要研究方向為作物保護和生物防治。
E-mail:liangql@gsau.edu.cn
S 763.1
A
1009-5500(2016)03-0028-07