聶文琦,王琛郴,孫浩,葉淑紅
(大連工業大學食品學院,遼寧 大連 116034)
銀杏外種皮是銀杏仁外的多汁表皮,其含有銀杏酚酸、多糖、黃酮、內酯、礦物元素等多種成分,與銀杏葉和種核的成分類似,具有抗腫瘤轉移、抑菌、殺菌、抗氧化等作用,開發前景良好[1]。目前對銀杏外種皮的研究鮮有報道,銀杏外種皮占整個種子質量的70%左右,我國每年生產1.2萬噸~1.4萬噸種核,約有3.6萬噸~4.2萬噸的銀杏外種皮遭到廢棄,這不僅造成了銀杏資源的巨大浪費,而且造成了環境的嚴重污染[2]。
我國蘋果生產總量雖然較大,但我國蘋果品質相對較差,主要表現為果形不整齊、成色較差、風味不足且不耐貯藏和運輸。并且在果實生長前期、采收前、貯藏期的主要病害蘋果霉心病危害很大,嚴重影響了果農的經濟收入[3]。有數據顯示,果蔬采后腐爛占20%以上,其中大部分是由微生物感染引起,而鏈格孢霉菌是果蔬采后病害的主要致病菌[4]。
近年來包括我國在內的許多國家對高毒、高殘留的農藥實施了禁用的政策。與化學合成農藥相比,植物源農藥具有選擇性高、低毒、易降解等優點。為此,開發高效、低毒、綠色環保型的植物源抑菌劑成為當前解決農業生產中病害的新途徑之一。深入開展銀杏外種皮的研究和開發利用,不但可做到廢物利用,變廢為寶,還可防止環境污染,從而獲得較大的經濟效益和社會效益。本研究以銀杏外種皮為原料探究其對蘋果鏈格孢霉的抑制作用,為新型植物源農藥的開發提供參考。
銀杏外種皮:大連工業大學校園內收集;蘋果鏈格孢霉菌:大連工業大學食品學院303實驗室保藏。
考馬斯亮藍G-250、三氯乙酸、硫代巴比妥酸、愈創木酚、檸檬酸、鄰苯二酚、30%過氧化氫、丙酮(均為分析純):天津市科密歐化學試劑有限公司;無水乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、四氯化鈦(均為分析純):天津大茂化學試劑廠;氨水(分析純):廣州市浩盈化工科技有限公司。
PH-070A型電熱恒溫干燥箱:上海一恒科學儀器有限公司;JYL-CO2DE多功能破壁料理機:九陽股份有限公司;N-1200BV型旋轉蒸發儀:上海愛朗儀器有限公司;Scientz-18N型真空冷凍干燥機:寧波新芝生物科技有限公司;ME204型分析天平:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;SW-CJ-2FD型超凈工作臺:蘇州安泰空氣技術有限公司;ZHWY-211B型恒溫冷凍搖床:上海智城分析儀器制造有限公司;SX-500型壓力蒸汽滅菌器:日本TOMY公司;SHP-150型生化培養箱:上海森信實驗儀器有限公司;CX31型光學顯微鏡:日本OLYMPUS公司;TGL-16M型高速冷凍離心機:湖南湘儀離心機儀器有限公司;SHZ-Ⅲ型循環水真空泵:上海亞榮生化儀器廠;雷磁DDS-307型電導率儀:上海儀電科學儀器股份有限公司;UV2400型紫外可見分光光度計:上海舜宇恒平科學儀器有限公司。
1.3.1 蘋果鏈格孢霉菌菌餅及菌絲體的制備
蘋果鏈格孢霉接種于馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養基中央,28℃培養 5 d,用無菌打孔器在培養基邊緣取直徑為6 mm菌餅,即為試驗所用菌餅。取適量蘋果鏈格孢霉菌絲體接種于100 mL馬鈴薯葡萄糖(potato dextrose,PD)培養基中,28℃、150r/min培養3 d。用磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)沖洗,4層無菌紗布過濾培養液,無菌濾紙吸干菌絲體表面水分,即為試驗所用的濕菌絲體。
1.3.2 銀杏外種皮提取物的提取
銀杏外種皮清洗、烘干、粉碎,過40目篩,制得銀杏外種皮粉,用80%乙醇在70℃~75℃和去離子水在100℃回流下,將風干粉狀的銀杏外果皮(1 kg)提取3次,每次3 h,然后抽濾得到提取物上清液,將上清液濃縮、凍干得到銀杏外種皮水提取物和乙醇提取物(Ginkgo biloba exocarp extract,GBEE)。
1.3.3 銀杏外種皮提取物對蘋果鏈格孢霉的抑制作用
將水和乙醇提取物按 0、200、400、600、800、1 000、1 200 mg/L濃度等量添加到PDA培養基中。將1周齡的鏈格孢菌餅(直徑6.0 mm)置于90 mm培養皿的中心,然后將板密封并放置在28℃的培養箱中。每個處理重復3次。3 d后,采用十字交叉法測定鏈格孢霉菌落直徑,菌絲生長抑制率計算公式如下。
式中:D0為對照組菌落直徑,mm;D1為處理組菌落直徑,mm。
將孢子懸浮液(1×106孢子/mL)接種到含有2 mL 0、200、400、600、800、1 000、1 200 mg/L 乙醇提取物的馬鈴薯葡萄糖肉湯(potato glucose broth,PDB)中。然后將40 μL的每種混合物分別逐滴添加到血細胞計數器中,并置于28℃的培養箱中。12 h后,記錄孢子萌發情況。
使用光學顯微鏡研究提取物對蘋果鏈格孢霉菌絲形態的影響。將孢子懸浮液接種在具有不同乙醇提取物濃度(0、200 mg/L)的PDB培養基中,然后150 r/min、28℃培養3 d。3 d后,收集菌絲在光學顯微鏡下觀察。
1.3.4 電導率的測定
采用雷磁DDS-307型電導率儀測定孵育培養基的電導率來評估來自菌絲體的胞質泄漏[5]。將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min、28℃下孵育。3 d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE中,在相同條件下繼續培養,然后分別在培養 0、2、4、6、8、10、12 h 時測定電導率。測定重復3次。
1.3.5 丙二醛(malondialdehyde,MDA)、H2O2含量的測定
采用硫代巴比妥酸比色法進行測定[6]。將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min和28℃下孵育。3 d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在 0、2、4、6、8、10、12 h 將菌體用 PBS 沖洗,濾紙吸干表面水分,放入研缽中研磨,加入20%三氯乙酸10 mL、0.6%硫代巴比妥酸3 mL,混勻,95℃水浴30 min,冰水浴冷卻10 min。轉移至離心管中,4℃、12 000 r/min離心20 min。收集上清液,分別在波長532、450、600 nm處測定吸光度,設置3組平行。MDA含量計算公式如下。
式中:N為上清液體積,mL;W為菌絲體鮮重,g。
將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在0、2、4、6、8、10、12 h 將菌體用 PBS 沖洗,濾紙吸干表面水分,放入研缽中研磨,加入丙酮在4℃、12 000 r/min離心10 min。取1 mL上清液與100 μL的20%四氯化鈦反應,用17 mol/L氨水沉淀,然后加入1 mol/L硫酸重懸沉淀,在410 nm處測定吸光度,設置3組平行。
1.3.6 蛋白質、核酸泄漏量的測定
采用考馬斯亮藍G-250比色法測定[7]。將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min、28℃下孵育。3d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在0、2、4、6、8、10、12 h取 1 mL 培養液加 5 mL 考馬斯亮藍 G-250試劑,振蕩、混勻,靜置2 min,每組設置3組平行,于波長595 nm處測定蛋白質的含量。
將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min、28℃下孵育。3 d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE 中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在 0、2、4、6、8、10、12 h 取 1 mL 培養液通過測定260 nm的光密度來定量核酸。
1.3.7 抗性相關酶活性的測定
1.3.7.1 過氧化物酶活性的測定
過氧化物酶(peroxidase,POD)活性參考文獻[8]測定。酶活性定義:以1 min內470 nm處吸光度降低0.01為一個酶活性單位,活性單位為U/(g·min)。
將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min、28℃下孵育。3 d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE 中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在 0、2、4、6、8、10、12 h 將菌體用 PBS 沖洗,濾紙吸干表面水分,放入研缽中,加入10 mL PBS,研磨至勻漿狀態,4℃、10 000 r/min離心10 min,上清液即為所得粗酶液。取2.9 mL 0.05 mol/L pH6.8的PBS,加入1 mL 0.05 mol/L愈創木酚和0.1 mL酶提取液,迅速置于水浴鍋37℃水浴保溫10 min。立即加入2%過氧化氫1 mL,停止反應,從加入開始計時,每20 s記錄1次470 nm下吸光度,持續2 min~3 min,以煮沸失活的酶液為對照。酶的比活力計算公式如下。
式中:X為酶的比活力,U/(g·min);ΔA為反應時間內吸光度的變化;D為稀釋倍數即提取的總酶液為反應系統內酶液體積的倍數;t為反應時間,min;W為菌絲體質量,g。
1.3.7.2 多酚氧化酶活性的測定
多酚氧化酶活性參考文獻[9]測定,將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min和28℃下孵育。3d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在0、2、4、6、8、10、12 h 將菌體用 PBS 沖洗,濾紙吸干表面水分,放入研缽中,加入10 mL PBS,研磨至勻漿狀態,4℃,10 000 r/min離心 10 min。取 3.9 mL 0.05 mol/L pH7.8的PBS,然后加入0.1mol/L兒茶酚1mL和0.8mL酶提取液。水浴鍋37℃水浴保溫10 min。保溫結束迅速放入冰浴中加入2 mL 20%的三氯乙酸終止反應。在420 nm下測定吸光度,對照組采用煮沸失活同體積酶液。計算公式同過氧化物酶的計算公式。
1.3.7.3 過氧化氫酶活性的測定
過氧化氫酶活性參考文獻[10]測定,將孢子懸浮液接種到PDB培養基中,然后在150 r/min和28℃下孵育。3 d后,用PBS沖洗3次,用無菌吸水紙收集菌絲體。將每0.5 g菌絲體懸浮在不同濃度(0、100、200 mg/L)GBEE中,在相同條件下進一步孵育,然后分別在 0、2、4、6、8、10、12 h 將菌體用 PBS 沖洗,濾紙吸干表面水分,放入研缽中,加入10 mL PBS,研磨至勻漿狀態,4℃、10 000 r/min離心10 min,上清液即為酶提取液。上清液用生理鹽水定容至10mL。取0.2mL上清液(酶液)加入2.8mL30mmol/L的H2O2(采用pH7.8,濃度50 mmol/L的PBS配制)中。反應10 s后于240 nm處測定其吸光度,至少連續測定3 min。保持每隔1 min記錄1次吸光度,直至數值沒有明顯變動。酶活性單位標準:以1 min內240 nm處吸光度降低0.01為1個酶活性單位。結果以U/(g·min)表示。對照組采用煮沸失活同體積酶液。計算公式同過氧化物酶的計算公式。
所有樣品均重復分析,取平均值。平均值和標準差用Microsoft Office Excel 2016計算。采用SPSS統計軟件進行單因素方差分析。p<0.05為差異有統計學意義。所有的圖表分別使用Origin 8.0創建。
銀杏外種皮水提物對蘋果鏈格孢的抑制效果見圖1。

圖1 銀杏外種皮水提物對蘋果鏈格孢的抑制效果Fig.1 Inhibitory effect of Ginkgo biloba exocarp water extract on Alternaria alternata in apples
由圖1可知,銀杏外種皮水提物濃度為200mg/L時,對蘋果鏈格孢霉基本沒有抑制效果,濃度為1 200 mg/L時,抑菌率為16.94%。
銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢的抑制效果見圖2。

圖2 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢的抑制效果Fig.2 Inhibitory effect of Ginkgo biloba exocarp ethanol extract on Alternaria alternata in apples
由圖2可知,GBEE濃度為1 200 mg/L時,抑菌率為61.39%,抑菌效果為水提物的3.6倍,并以劑量依賴的方式明顯抑制了鏈格孢霉菌絲體的生長。銀杏外種皮乙醇提取物的抑制效果更好。用SPSS分析得到IC50值為 744.074 mg/L。
銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉菌孢子萌發率和芽管伸長的影響見圖3。

圖3 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉菌孢子萌發率和芽管伸長的影響Fig.3 Effect of ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp on spore germination and germ tube elongation of Alternaria alternata in apples
由圖3可知,不同濃度的GBEE對鏈格孢霉孢子萌發率和芽管伸長具有顯著的抑制作用(p<0.05),孵育12 h后,對照組中的所有鏈格孢霉孢子均發芽,萌發率達98.63%。而1 000 mg/L和1 200 mg/L GBEE處理組的孢子萌發率分別為14.28%和8.37%,鏈格孢霉孢子萌發被顯著抑制(p<0.05)。此外,鏈格孢霉芽管伸長對GBEE敏感,GBEE濃度的增加抑制了芽管的伸長。孵育12 h后,對照中的芽管長度為262 μm,1 000 mg/L GBEE處理組的芽管長度為21 μm。
銀杏外種皮乙醇提取物處理蘋果鏈格孢霉菌形態學觀察結果見圖4。

圖4 銀杏外種皮乙醇提取物處理蘋果鏈格孢霉菌形態學觀察結果Fig.4 Morphological observation of Alternaria alternata in apples treated with ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp
如圖4所示,用光學顯微鏡觀察發現GBEE對蘋果鏈格孢霉菌細胞壁具有明顯破壞作用,改變了細胞膜結構和其通透性:GBEE處理的鏈格孢霉菌菌絲出現斷裂、變細、變形且無細胞壁間隔。因此判斷GBEE能破壞鏈格孢霉細胞壁和細胞膜的完整性[11],使胞內物質滲出,菌絲體和分生孢子變形,從而使鏈格孢霉生長代謝受到影響。
銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉細胞膜通透性的影響見圖5。

圖5 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉細胞膜通透性的影響Fig.5 Effect of Ginkgo biloba exocarp ethanol extract on cell membrane permeability of Alternaria alternata in apples
細胞膜對維持細胞內環境的穩定和機體新陳代謝發揮著重要作用。細胞膜可以將細胞與外界環境分隔,維穩胞內環境并選擇控制物質進出細胞。膜系統被破壞的一個重要指標是細胞膜的通透性增大[12],菌體生長繁殖的時候,會大量吸收培養液中的無機鹽等營養物質。一般情況下,電導率指標隨時間推移逐漸下降,代表營養物質被吸收。而當菌體遭到逆境迫害時[13],首先作用于菌體細胞膜,使其通透性變大,胞內物質外泄,導致細胞破裂死亡。因此,膜透性的大小可用電解質滲透率即電導率的變化來衡量,以佐證細胞膜系統是否遭到損傷和破壞[14]。由圖5可知,GBEE處理明顯提高了胞外電導率,所有處理組都隨著處理時間的延長而增加。然而,用100 mg/L或200 mg/L GBEE處理的鏈格孢霉菌的電導率高于對照(0 mg/L)。孵育2 h,用200 mg/L GBEE處理的鏈格孢霉菌的電導率迅速增加,說明鏈格孢霉受到GBEE的刺激,對細胞膜破壞較嚴重,胞內物質泄漏,使培養液電導率升高[15]。
生物體發生器官衰老時或逆境條件時,細胞內活性氧代謝平衡被破壞。活性氧積累與膜上受體、酶等反應生成丙二醛(MDA)。生物膜上發生的膜脂過氧化反應,破壞了細胞膜通透性,不利于細胞與外界進行穩定的物質交換。MDA和H2O2作為產物,其含量高低表示膜脂過氧化程度。同時也反映細胞對逆境條件耐受的強弱,正常的脂質過氧化反應對機體的新陳代謝有著重要的作用[16]。MDA和H2O2是細胞膜損傷的主要指標,脂質過氧化和氧化應激是造成殺真菌作用的主要機制。MDA和H2O2含量反映了對細胞膜的損傷程度,具體見圖6和圖7。

圖6 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉MDA含量的影響Fig.6 Effect of Ginkgo biloba exocarp ethanol extract on the MDA content of Alternaria alternata in apples

圖7 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉H2O2含量的影響Fig.7 Effect of Ginkgo biloba exocarp ethanol extract on the H2O2content of Alternaria alternata in apples
由圖6和圖7可知,GBEE可增加鏈格孢霉MDA和H2O2含量。200 mg/L GBEE處理12 h后,鏈格孢霉菌絲中的MDA和H2O2含量顯著高于對照組(MDA為8.896 mmol/kg,是對照組的4.86倍,而H2O2為155.794 μmol/g,是對照組的3.51倍),表明銀杏外種皮醇提物有效地損傷了蘋果鏈格孢霉菌細胞膜,加劇了鏈格孢霉菌膜脂過氧化進程。
培養液中蛋白質、核酸含量可以反映抑菌劑對菌體細胞膜的破壞程度和細胞膜通透性的變化,還可以反映對蛋白質、核酸的滲漏情況[17]。銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉蛋白質、核酸泄漏量的影響見圖8和圖9。

圖8 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉蛋白質泄漏量的影響Fig.8 Effect of ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp on the leakage of protein of Alternaria alternata in apples

圖9 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉核酸泄漏量的影響Fig.9 Effect of ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp on the leakage of nucleic acid of Alternaria alternata in apples
由圖8和圖9可知,GBEE以劑量依賴的方式誘導鏈格孢霉菌絲體的大量蛋白質和核酸滲漏。0~2 h,試驗組蛋白質、核酸含量迅速升高,是因為加入GBEE對細胞膜破壞程度加劇,細胞與外界進行物質交換的選擇性喪失,導致蛋白質、核酸滲漏,蛋白質、核酸透過細胞膜滲透到培養液中致使溶液中蛋白質、核酸含量迅速攀升。
銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉POD酶活性的影響間圖10。

圖10 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉POD酶活性的影響Fig.10 Effect of ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp on POD enzyme activity of Alternaria alternata in apples
由圖10可知,GBEE處理后鏈格孢霉菌的POD酶活性呈先上升后下降的趨勢,但隨著培養時間的延長,8 h后處理組明顯低于對照組POD酶活性,0~6 h內,處理組酶活性上升,高于對照組,這可能是因為鏈格孢霉出現對外界的應激反應,機體對細胞的保護作用使得產生的過氧化物含量升高,機體POD酶合成水平提高[18]。6 h后,POD酶活力開始下降,表明鏈格孢霉菌在逆境環境中遭到嚴重破壞,部分POD酶失活,降低了H2O2等活性氧的清除能力,從而對鏈格孢霉產生抑制作用[19]。
多酚氧化酶(polyphenoloxidase,PPO)是一類與植物的抗病性和微生物的抗逆性密切相關的酶類,能夠催化酚類物質形成對病原菌有抑制作用的醌類物質[20]。銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉PPO酶活性的影響見圖11。

圖11 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉PPO酶活性的影響Fig.11 Effect of ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp on PPO enzyme activity of Alternaria alternata in apples
如圖11所示,GBEE處理后鏈格孢霉菌的PPO酶活性呈先下降后上升的趨勢,12 h后處理組酶活性顯著低于對照組(p<0.05),0~6 h處理組鏈格孢霉 PPO酶活性迅速降低。6 h后,PPO酶活性出現小幅度的恢復,但仍遠低于正常條件下的酶活水平,說明鏈格孢霉在逆境脅迫下,機體做出應激反應,但其抗逆性較差。
過氧化氫酶(catalase,CAT)是一種酶的清除劑,也被稱為過氧化氫酶,它是一種以鐵卟啉為輔料的結合酶。銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉CAT酶活性的影響見圖12。

圖12 銀杏外種皮乙醇提取物對蘋果鏈格孢霉CAT酶活性的影響Fig.12 Effect of ethanol extract of Ginkgo biloba exocarp on CAT enzyme activity of Alternaria alternata in apples
由圖12可知,GBEE處理后鏈格孢霉菌的CAT酶活性呈先上升后下降的趨勢,但隨著培養時間的延長,6 h后處理組明顯低于對照組CAT酶活性。0~2 h內,處理組CAT酶活性明顯上升,明顯高于對照組CAT酶活性,說明鏈格孢霉出現對外界逆境環境的應激反應,機體對細胞的保護作用,使CAT酶活性升高。2 h后,CAT酶逐漸失活,無法正常參與脅迫反應。
銀杏外種皮提取物的抑菌作用呈濃度依賴性,水溶性提取物于1 200 mg/L抑菌率達到16.94%,乙醇提取物于1 200 mg/L抑菌率達到61.39%,約是水溶性提取物的3.6倍,IC50值為744.074 mg/L。不同濃度的銀杏外種皮乙醇提取物對鏈格孢霉孢子萌發和芽管伸長具有顯著的抑制作用,對照組中的所有鏈格孢霉孢子均發芽,萌發率達98.63%,而1 000 mg/L GBEE處理組的孢子發芽率為14.28%。對照中的芽管長度為262μm,處理組的芽管長度為21 μm。通過光學顯微鏡觀察到處理組的鏈格孢霉菌菌絲出現斷裂、變細、變形且無細胞壁間隔。此外,銀杏外種皮乙醇提取物使蘋果鏈格孢霉菌體細胞膜通透性增加,膜脂過氧化程度加劇,MDA和H2O2含量升高,分別為對照組的4.86倍和3.51倍。銀杏外種皮乙醇提取物使胞內核酸、蛋白質外泄,并抑制抗性相關酶活性。因此,得出乙醇提取物的抑菌效果好,其抑制行為通過破壞蘋果鏈格孢霉菌的細胞膜完整性和抑制抗性相關酶活性實現。