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內生解淀粉芽孢杄菌Xe01的鑒定及其發酵條件優化

2020-01-18 13:35:41周向平舒翠華滕凱甘在德肖啟明陳武李小慧劉天波
中國煙草科學 2020年6期

周向平 舒翠華 滕凱 甘在德 肖啟明 陳武 李小慧 劉天波

摘要:為獲得對煙草青枯病菌具有拮抗作用的生防菌,從湖南永州青枯病發病較重煙田的健康煙株根系中分離獲得1株對煙草青枯病菌具有較強抑菌活性的菌株,對峙培養其抑菌圈直徑達到30.5mm,將其命名為Xe01。利用形態觀察、生理生化特征及16STRNA基因序列分析鑒定其為解淀粉芽孢(Bacillus amyloliquefaciens),溫室盆栽和小區試驗中Xe對煙草青枯病的防治效果分別達到56.32%和61.46%。對其發酵培養基及發酵條件進行單因素試驗及正交設計優化,最適培養基碳源、氮源和無機鹽種類及濃度為葡萄糖90gL、牛肉膏3.0gL、氯化鈣4.0gL最佳發酵條件為pH7.0,30℃,180rmin培養52h,使用優化后的發酵條件培養,抑菌圈直徑由優化前的30.5mm提高至42.5mm,提高了39.34%。研究結果為解淀粉芽孢桿菌Xe01生防菌劑的開發及應用提供了理論基礎。

關鍵詞:煙草青枯病菌;解淀粉芽孢杄菌;鑒定;發酵條件優化

由茄科雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)引起的青枯病是煙草主要病害之一,給煙草造成嚴重損失。目前煙草青枯病防治主要依賴化學農藥,但生產上尚無有效的化學藥劑,且隨著人們的生態意識和環保理念的加強,過量施用化學農藥帶來的3R(殘留、抗性和再增猖獗)問題日益受到人們重視。生物防治是一種環境友好和具有良好發展潛力的防治手段,有益微生物利用已成為防控煙草青枯病的研究熱點。植物內生細菌與植物高度親和,內生菌作為生物防治菌株不僅能避免因使用化學農藥給人類健康和環境帶來的風險,還可減少對植物根際土壤微生態平衡的破壞,在防治植物病害上具有很大應用前景。目前,已從水稻、番茄等植株內分離篩選到具有良好拮抗作用的內生細菌。國內外針對煙草青枯病也篩選了一些內生細菌,如舒翠華等、易有金等從煙草根內篩選到對煙草青枯菌有較好抑制效果的內生拮抗細菌假單胞杄菌、短短芽胞杄菌和枯草芽孢桿菌。此外,為更好地將生防菌應用到生產,發酵培養基和培養條件的篩選和優化必不可少。梁艷瓊、劉京蘭等1叫通過單因素和正交試驗方法分別對解淀粉芽孢杄菌JNC2和CC09液體發酵的最適發酵培養基成分

及發酵條件進行篩選優化,優化后發酵濾液中抑菌活性物質的產量顯著提高。由于煙葉種植制度和土壤生態環境的差異,生防菌在大田應用效果不夠穩定,菌種本身所具有的優良遺傳性狀也可能發生變異退化,因此,有必要不斷挖掘和發現新的生防菌,并優化其發酵條件,為生防菌應用提供基礎。本研究從煙草根內篩選分離得到一株對煙草青枯菌有顯著抑制作用的拮抗菌株,通過形態觀察、生理生化檢測及16STRNA基因序列分析初步鑒定其種屬,盆栽和小區試驗考察防治效果。采用單因素試驗及正交設計優化菌株發酵培養基及發酵條件,以期為后續生產應用提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

內生拮抗菌寄生植物樣品于2014年取自湖南省永州市江永縣和江華縣青枯病發病較重煙田的健康煙株,煙草品種為云煙87。

供試病原菌煙草青枯病菌(Ralstonia solanacearum)、煙草黑脛病菌(Phytophthora para.silica)、煙草赤星病菌(Alternaria alternata)、辣椒炭疽病菌(Colletotrichum capsici)、辣椒疫霉病菌(Phytophthora capsici)、柑橘炭疽病菌(Colletotrichum gloeosporioides)、稻瘟病菌(Pyricularia oryzae)和西瓜灰霉病菌(Cladosporium cucumerinum)均由湖南農業大學植物病蟲害生物學與防控實驗室提供。

拮抗細菌的分離、培養用NA培養基,煙草青枯菌培養用LB培養基,煙草黑脛病菌的培養用燕麥培養基,其他病原真菌的培養用PDA培養基。拮抗細菌總DNA提取、16SIRNA片段擴增所用試劑均購自天根生化科技有限公司。

1.2根內細菌的分離

剪取1g清洗干凈的煙草根系樣品,依次用75%乙醇浸泡1min,無菌水沖洗3次,5%NaCIO泡6min,無菌水沖洗5次后,在無菌研缽中加入10mI無菌水研磨,取1mL研磨液渦旋振蕩10min。采用稀釋平板涂布法,制備102、103、10-4、10-5、10CFU/ML梯度稀釋液,各取0.1mL涂布在固體NA平板上,28℃培養48h。挑取培養特征明顯不同的單菌落,于NA平板進行劃線純化,將純化好的菌株4℃保存備用。

1.3拮抗菌株的篩選

1.3.1拮抗菌株的初篩參照夏艷等方法,制備煙草青枯病菌濃度為1×10°CFU/ml的菌懸液,取1mL加入45℃左右的IB培養基,搖勻,待培養基凝固后,用滅菌牙簽挑取1.2中備用菌株單菌落點接于培養基上,每板測試4個菌株,每菌株重復3次,30℃條件下培養48h,十字交叉法測量抑菌圈直徑,求平均值。

1.3.2拮抗菌株的復測選取有拮抗活性的菌株接種于NA培養基中,28℃、180r/min培養48h。取發酵液10mL,10000rmin離心10min,用0.22m的微孔濾膜過濾其上清液,得無菌發酵濾液。按1.3.1的方法制備青枯菌平板,在平板四周用直徑8mm的打孔器打孔,孔內注入0.1mL無菌發酵液,30℃條件下培養48h,十字交叉法測量抑菌圈直徑,求平均值。

1.4拮抗菌株的鑒定

1.4.1形態觀察將篩選到有明顯拮抗作用的菌株從冰箱取出,NA平板劃線,28℃培養48h后挑取單菌落,在新的NA平板上劃線28℃培養60h,觀察并記錄菌落的顏色、形態等特征,并通過光學顯微鏡和革蘭氏染色觀察細胞形態。

1.4.2生理生化特征鑒定參照文獻[17]進行生理生化試驗,每個處理重復3次。

1.4.316S TRNA鑒定拮抗細菌16SIRNAPCR擴參考周鑫鈺等的方法。將16S TRNA的PCR擴增產物回收純化后送上海生物工程有限公司測序,測序結果在NCBI上進行BLAST比對分析,并選擇同源性比較高的序列用Neighbor-Joining法構建系統發育樹材。

1.5拮抗菌株的抑菌譜測定

以7種病原菌為靶標,于9CmPDA或燕麥培養基平板中心接種直徑5mm的靶標菌菌餅,用接種環挑取拮抗菌株劃線接種在距平板中央3cm處,同時以單獨接種病原菌作為對照,每個處理3次重復。28℃恒溫培養4d,測量對照和處理的靶標菌菌落直徑,計算抑菌帶寬度,計算公式為:抑菌帶寬度=(對照菌落直徑-處理菌落直徑)2。

1.6拮抗菌株對煙草青病的防治效果

通過溫室盆栽和田間試驗考察拮抗菌株對煙草青病的防治效果。設3個處理,處理1:拮抗菌株Xe01;處理2:3%中生菌素WP(福建凱立生物制品有限公司生產):處理3:清水(對照)。每處理重復3次。盆栽試驗每重復20盆,每盆栽煙1株,田間試驗每小區面積67m2(植煙100株),隨機排列。

盆栽試驗在湖南省永州市煙葉生產技術中心試驗基地溫室進行。取5~6片真葉煙苗移栽于裝有滅菌土的花盆,移栽后按處理分別灌根拮抗Xe發酵液(菌量為1×108CFU/mL)、3%中生菌素WP(500倍液)和清水各20mL/株,24h后灌根接種煙草青枯菌菌懸液(1×10CFU/mL)10mL/株。置于溫室28~32℃條件下,常規管理。觀察煙株發病情況,始見病株后,每7d調查一次病害發生情況,共調查3次。病情分級標準按國家行業標準GB/T23222-2008,統計發病率、病情指數和防治效果。

田間小區試驗在湖南省永州市江永縣夏層鋪鎮東鋪村旱土煙田進行。選擇煙草青枯病發生較重且連作3年以上的田塊,移栽時和移栽后30d分別用拮抗菌Xel發酵液(×105CFUm)3%中生菌素WP(500倍液)和清水灌根,每株200mL。在田間煙草青枯病始發期開始調查,調查統計方法同盆栽試驗。

1.7發酵培養基成分優化

1.7.1單因素篩選優化最佳碳源、氮源、無機鹽種類篩選:分別以玉米粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、甘油、可溶性淀粉替換NA培養基中的葡萄糖;分別以蛋白胨、酵母粉、大豆蛋白胨、尿素、硝酸銨、硫酸銨替換NA培養基中的牛肉膏汾別以氯化鈣、磷酸氫二鉀、氯化錳替NA培養基中的氯化鈉。

最佳碳源、氮源、無機鹽濃度篩選:分別設定葡萄糖60、7.0、80、9.0、10.0、1.0、和12.0g/L,牛肉膏1.0、2.0、3.0、4.0和5.0gL,氯化鈣1.02.0、3.0、4.0和5.0gL。

以上試驗每組處理設3組重復,在溫度28℃、150r/min培養24h,測定菌體量(DD600),按1.3.2測抑菌圈直徑,確定最佳碳源、氮源和無機鹽種類和濃度。

1.7.2正交優化根據以上單因子篩選的基礎上,選擇葡萄糖、牛肉膏、氯化鈣為考察因素,按照正交設計表(3)設計3個因素、3個水平的正交試驗,確定最適配比。

1.8培養條件的優化

1.8.1培養條件單因素優化采用最適培養基配方,依次進行以下條件的優化,每次都將上一優化結果應用于下一因素的優化の。初始pH:41050、6.0、7.0、8.0、9.0和10.0;溫度:26、28、30、32、34、36、和38℃轉速:140、160、180、200、220和240r/min;發酵時間:36、40、4448、52、56和60h。每個處理3次重復,測定菌體量(DD6OO)按1.3.2測抑菌圈直徑。

1.8.2正交優化根據單因素的優化結果,選擇發酵培養初始pH、溫度、轉速和發酵時間為考察因素,按照正交設計表(3)設計4個因素、3個水平的正交試驗,確定最佳發酵培養條件組合。

2結果

2.拮抗菌株的分離和篩選

采用平板梯度稀釋法共分離出96株形態不同的菌株,經平板對峙法初篩和復篩,得到15株對煙草青枯病菌具有拮抗效果的菌株,其中JH24、JY46、JY38、JYO5、JY22、JH23、JY37、JH35等菌株的抑菌效果較好,拮抗菌株發酵濾液抑菌圈直徑在20mm以上,菌株JY16的拮抗效果最好,抑菌圈直徑達到30.5mm(表1和圖1)。在轉移5代后,菌株JY16菌效果表現穩定,將其命名為Xeol,并進行深入研究。

2.2拮抗菌株的形態特征

對劃線后長出的單菌落進行觀察,菌株Xe1在NA培養基上呈灰白色,不透明,表面干燥皺縮,邊緣不規則,具有較強的黏附性(圖2a):革蘭氏染色呈陽性,周生鞭毛,有芽孢,呈桿狀(圖2b)。

2.3生理生化特征

生理生化試驗測定表明(表2),菌株Xe01好氧,明膠液化試驗、淀粉水解試驗、酪朊水解試驗、接觸酶反應硝酸鹽還原反應、V-P反應結果為陽性硫化試驗結果為陰性。根據形態觀察并結合生理生化結果,初步確定菌株Xe01為芽孢杄菌屬(Bacillus)

2.416S IRNA鑒定

測序結果與Genbank中已知序列比對,菌株Xe1的16S TRNA序列(Genbank登錄號為JX477175)與解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)的16STRNA序列同源性高達100%。系統發育樹結果表明(圖3),菌株Xe0與解淀粉芽胞菌(JQ916086)處于同一個分支,因此將該菌鑒定為解淀粉芽孢杄菌。

2.5拮抗菌株的抑菌譜

抑菌譜測定結果表明(表3),拮抗菌株Xe1對煙草黑脛病菌、煙草赤星病菌、辣椒炭疽病菌、辣椒疫霉病菌、柑橘炭疽病菌、稻瘟病菌和西瓜灰霉病菌均具有抑制作用,其中對煙草黑脛病菌的抑制作用最強,抑菌帶寬度達15.1mm。由此說明,Xe1的抑菌譜廣,具有較好的應用前景。

2.6拮抗菌對煙草青枯病的防治效果

溫室盆栽和小區試驗結果表明(表4),拮抗菌對煙草青枯病有明顯防治效果,施用拮抗菌株Xe01顯著降低了煙草青枯病的發病率和病情指數,溫室盆栽試驗拮抗菌Xe對煙草青枯病的防效為56.32%,小區試驗防效為61.46%,防效均好于藥劑防治。

2.7發酵培養基的優化

2.7.1單因素篩選碳源、氮源、無機鹽種類篩選不同碳源、氮源和無機鹽對Xe1的菌體量和抑菌活性影響較大,以葡糖為碳源時菌體量達到最大(OD=1.29),抑菌圈也最大(31.5mm)(圖4a)以牛肉膏為氮源時菌體量達到最大(ODoo=1.3),抑菌活性也最大(抑菌圈直徑31.6mm)(圖4b);以氯化鈣為無機鹽時菌體量達到最大(OD0=1.43)抑菌圈也最大(3.7mm)(圖4c)。因此,葡萄糖、牛肉膏和氯化鈣為最適碳源、氮源和無機鹽組分。

葡萄糖、牛肉膏和無機鹽濃度篩選:不同濃度葡萄糖、牛肉膏和氯化鈣對Xel菌體量和抑菌活性有顯著影響。隨著濃度的增加,Xel菌體量和菌活性先隨之増加,達到高峰后,隨著濃度加Xe1菌體量和抑菌活性反而下降。在葡萄糖10gL時菌體量(OD600=153)和抑菌活性(抑菌圈直徑337mm)最大(圖5a),牛肉膏3gL時菌體量(ODo=1.54)和抑菌活性(抑菌圈直徑33.8mm)最大(圖5b),氯化鈣2gL時菌體量(ODo=1.56)和抑菌活性(抑菌圏直徑33.9mm)最大(圖5c)。因此,葡萄糖10gL、牛肉膏3gL、氯化鈣2gL為Xe01菌株發酵最佳濃度。

2.7.2正交優化根據上述單因素試驗結果,采用

(3)正交表,設計了3因素3水平的正交試驗,進一步確定影響XeOl菌株抑菌活性的最佳組合,結果見表5。由極差R值的大小(Rc》R》R2)可以看出,影響XeO菌株抑菌活性的因子強度由強到弱依次為C(氯化鈣)》A(葡萄糖)》B(牛肉膏),氯化鈣濃度是影響XeO菌株抑菌活性的最重要因子。結合K值,適合Xe菌株發酵的最優組合為A1BC3,即葡萄糖9.0g兀L、牛肉膏3.0gL,氯化鈣4.0gL。在此培養基條件下,菌株Xe發酵濾液對煙草青枯病菌的抑菌直徑達到36.1mm,比基礎培養基培養的抑菌圈直徑(30.5mm)増加了18.4%。

2.8發酵培養條件的優化

2.8.1單因素篩選初始pH(圖6):在pH7時菌體量達到最高(ODo01.61),抑菌活性最高在pH6和pH7,抑菌圈直徑分別為37.0和37.6mm,低于或高于該pH值,抑菌活性則顯著降低。可見,pH67為Xc菌株發酵最佳pH。

培養溫度(圖7):在32℃發酵條件下,Xe1菌體量最高(ODoo=1.60),低于或高于此溫度,均不利于Xe菌株的生長,而在32~34℃時抑制活性最高。可見,Xe01菌株發酵最佳溫度為32~34℃。轉速(圖8):搖床轉速在180r/min時Xel菌體量和抑制活性均達到最大(ODo1.66,扣菌直徑37.5mm),轉速高于或低于180r/min,Xeol菌株的菌體和抑制活性均顯著下降。因此,Xe0菌株發酵最佳轉速為180rmin。

發酵時間(圖9):在發酵時間48h和56h時菌體量達到最高,在52h和56h時抑菌圈直徑達最大,然后逐漸少。因此,XeOl菌株發酵最佳發酵時間為48~56h。

2.8.2正交優化根據上述單因素試驗結果,采用o(3)正交表,設計4因素3水平的正交試驗,進步確定影響XeO菌株抑菌活性的最佳發酵條件組合,結果見表6。由極差R值可見,4種因素對Xe1菌株抑菌活性影響力的強弱順序為A(pH)》B(溫度)》C(轉速)》D(培養時間)。結合K值,最優發酵條件組合為A3B1C2D2,即pH7.0,30℃,180r/min,培養52h。在此培養條件下,驗證對煙草青枯病菌的抑制活性,抑菌圈直徑達到42.5mm比初始培養條件抑菌圈直徑(30.5mm)増加了39.34%。3討論

傳統的生防菌種大多來自土壤,從土壤中篩選出的拮抗細菌通過抑制土傳病原菌的繁殖達到防病的效果2-2內生拮抗細菌能進入植物組織,與病原菌竟爭空間與營養,可在植物內部抑制病原菌的繁殖,能更好地防治病原菌,較傳統的土壤細菌更有優勢,已成為防治植物病害的一個重要菌種資源來源2。本研究通過稀釋涂布平板對峙法從煙草根內篩選獲得一株具有較強抑菌活性的拮抗細菌(Xe01),通過形態觀察、生理生化檢測及16SrRNA基因序列分析初步鑒定其種屬,初步鑒定為解淀粉芽孢菌(Bacillus amyloliquefaciens)。拮抗菌株對煙草青枯病菌具有較好的抗菌活性,還可以制煙草黑脛病菌、煙草赤星病菌和辣椒炭疽病菌等常見病原菌,抑菌范圍比較廣泛,應用前景良好。優化生防菌培養液組分可以提高菌體的菌體量和抑菌活性物質產量,進而提高生防效果242本研究將Xel的菌體量及抑菌活性作為主要考量指標,發現培養基碳源、氮源和無機鹽種類及濃度為葡萄糖9.0gL、牛肉膏3.0gL、氯化鈣4.0gL時,菌體量最大,抑菌活性最佳,但抑菌活性物質含量的變化暫未分析。初始pH、培養溫度、轉速和發酵時間影響其活菌數量以及對病原菌的抑制效果,它們之間互相作用、互相影響,高產發酵需要各因素之間的最佳組合。因此,解淀粉芽孢桿菌發酵條件的優化除采用單因素外,同時還需考慮多因素及其交互作用。本研究通過單因素和正交試驗優化了培養條件,發現pH70,30℃,180rmin,培養52h時抑菌圈直徑達42.5mm,比優化前增加了39.34%。本研究只是在搖床條件下對菌株Xe01培養條件進行優化,今后還需進行小試、中試,以驗證和完善發酵工藝,獲得適合發酵罐的發酵工藝,在實際工業化生產中對發酵條件的控制方法也有待于進一步研究,為下一步抑菌活性物質的分離鑒定以及田間實際應用提供理論參考。

解淀粉芽孢杄菌不僅能夠產生多種抗菌物質,抑制植物病原菌生長,而且能促進植物生長和誘導植物產生系統抗性。權春善等2、林巧玲等分離篩選的解淀粉芽孢杄菌Q-12對植尖孢鐮刀菌具有較好抑制作用,解淀粉芽孢桿菌SH-27能顯著降低大豆疫病的病情指數,促進根系生長。本研究篩選的拮抗菌株解淀粉芽孢桿菌Xe1對煙草青枯病菌具有較好的抑菌活性,溫室盆栽和小區試驗對煙草青枯病的防治效果達到50%以上,防治效果與姜乾坤等、易有金等篩選的生防菌相當。但拮抗菌株XeO如何發揮作用,是否還具有促進植物生長和誘導植物抗性等作用暫不明確,后續將對XeO1的生防機制及其抑菌物質的分離純化等方面進行更深入的研究。

4結論

本研究篩選獲得一株對煙草青枯菌具有較好抑制作用的解淀粉芽孢杄菌Xe0,盆栽和小區試驗表明其對煙草青枯病的防治效果良好。優化了發酵培養基和發酵條件,優化培養后抑菌活性提高了39.34%,為解淀粉芽孢杄菌XeO防治煙草青枯病及生防菌劑的開發應用提供了理論基礎。

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