解淀粉芽孢桿菌產酶特性及其抑制禾谷鐮刀菌性能研究

董麗麗 余青華

摘要 ［目的］深入了解生防菌發揮作用的方式。［方法］對從土壤中分離的解淀粉芽孢桿菌的產酶活性和生防菌功能展開研究，采用產生透明圈的方法檢測解淀粉芽孢桿菌生產纖維素酶的功能，用牛津杯法檢測解淀粉芽孢桿菌對植物致病菌禾谷鐮刀菌的抑制作用。［結果］解淀粉芽孢桿菌能夠產生分解纖維素的纖維素酶，纖維素酶活性可以達到26.86 U/mL，并且它能夠抑制禾谷鐮刀菌的生長，而且生長代謝產物濃度越濃抑制效果越明顯，未經稀釋的菌液抑菌效價可達到465 mm/mL。［結論］該研究為解淀粉芽孢桿菌的實際應用提供了理論基礎和實踐指導。

關鍵詞 抑菌性能；解淀粉芽孢桿菌；禾谷鐮刀菌；纖維素酶；生防能力

中圖分類號 X172? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）14-0011-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

作者簡介 董麗麗（1973—），女，山東威海人，高級工程師，從事風景園林建設管理、環境微生物應用研究。

隨著人類人口數目的不斷增加，人們對農作物的需求也隨之增加，這促使農田面積大幅度增加，大量種植所需求的農作物。然而，大面積開墾農田，種植單一作物，使得生態系統的多樣性下降，穩定性下降，對于各種病蟲害的抵御能力也隨之下降［ 1］。病蟲害帶來的巨大經濟損失使得人們對這一問題越來越重視，隨著技術的不斷進步，研究者發現有些化學試劑能夠有效地抑制病蟲害，減少農作物的損失，有些化學試劑能夠通過提供生長所需要的元素來提高農作物的產量，于是就出現了化肥農藥。正是由于化學防治的高效性，截至目前，人們大多仍采用此方法來抵御農作物的病蟲害。但是無節制地使用化肥農藥，也造成環境污染、土壤硬化等問題［ 2］。并且病原微生物也因為化學藥劑的使用而產生了不可避免的抗性［ 3］，再加上近年來人們對生活質量的追求，以及農藥殘留帶來的食品安全問題，農田防治病蟲害的方法也日益受到人們的關注，所以在這種趨勢下化學防治在農業方面的應用也慢慢減少。

近年來，在研究防治病蟲害的過程中，人們發現有些微生物也具有防治的功效，由于生物防治具有無害性這一特點，對生物防治的研究也越來越受關注［ 4］。農藥減量化觀點的提出也使人們不斷去尋找其他能夠替代農藥作用的方法，人們對作為能夠無害解決病蟲害問題的生物防治的方法充滿期待［ 5］。相關研究表明生防菌可以作為化學農藥的良好替代品，它不僅能夠解決病蟲害問題，而且不會給環境造成污染。某些生防菌還可以抑制農田中雜草的生長［ 6］，這種微生物除草劑主要是利用雜草病原微生物的致病能力從而達到除草的目［ 7］。此外，對藥用植物有關的生防菌的研究也是一大熱點［ 8］。藥用植物相比于一般的植物，它對光照、溫度、濕度等環境因素的要求更加苛刻，所以人們更加關注藥用植物的培育［ 9］。對于某些珍貴的藥用植物，生防菌的存在提升了自身的存活率。木霉屬（Trichoderma spp.）、芽孢桿菌屬（Bacillus spp.）、假單胞菌屬（Pseudomonas spp.）等是植物生防菌中較為常見的類型［ 10］，其中生防菌中的細菌是應用最為廣泛的一種［ 11］。這些生防菌發揮作用的機制主要是抗生作用、競爭作用、重寄生作用、誘導植物系統抗性等拮抗機制［ 12］。

其中，芽孢桿菌是研究的一大熱點，芽孢桿菌是微生物中的優勢生物種群，它是一種嚴格好氧、兼性厭氧的桿狀菌。芽孢桿菌最大的特點是能夠產生圓形或者橢圓形的芽孢，并且因為有芽孢的存在使得它具有極強的環境適應力，能夠在酸性、高溫、低氧、紫外線、電離輻射和存在有害化學試劑等各種不良環境下存活［ 13］。芽孢桿菌生長速度很快，體積也比一般的病原菌大，所以它可以通過和其他病原菌競爭生長空間、爭奪養分的方式，抑制病原菌的繁殖生長，此外，芽孢桿菌還可以產生一些抗菌物質，具有更好的抑菌效果，還可以分泌一些能夠促進植物生長的物質，可促進植物生長，最重要的是對人畜無害［ 13］。該研究從土壤中篩選并鑒定解淀粉芽孢桿菌，采用牛津杯法檢測所篩解淀粉芽孢桿菌對植物病原菌的抑制作用，并且通過觀察水解圈的大小來鑒定它產纖維素酶的能力，以期為該菌作為土壤改良劑提供應用基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 菌種。解淀粉芽孢桿菌（從土壤中分離得到的）；植物病原菌禾谷鐮刀菌（從谷鐮刀病的玉米病株中分離得到的）。

1.1.2 試劑。酵母提取物，羧甲基纖維素鈉（carboxymethylcellulose sodium-Na，CMC-Na），胰蛋白胨，（NH4）2SO4，NaCl，瓊脂粉，葡萄糖，K2HPO4，Mg SO4·7H2O，CaCl2，1% CMC溶液，DNS溶液。

1.1.3 培養基。

（1）LB固體培養基。胰蛋白胨 10 g，酵母提取物 5 g，NaCl 10 g，瓊脂粉 15 g，pH為7.2。

（2）LB液體培養基。胰蛋白胨 10 g，酵母提取物 5 g，NaCl 10 g，pH為7.2。

（3）馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）培養基。馬鈴薯提取物（將200 g 馬鈴薯去皮切成薄片，用適量蒸餾水煮熟，再用8層干凈的紗布進行過濾得到的濾液），瓊脂粉 15 g，葡萄糖 20 g，再用蒸餾水定容到1 L。

（4）馬鈴薯葡萄糖水（PD）培養基。馬鈴薯提取物，葡萄糖 20 g，蒸餾水定容到 1 L。

（5）纖維素酶測定培養基。（NH4）2SO4? 0.25 g，K2HPO4? 0.3 g，Mg SO4·7H2O 0.05 g，羧甲基纖維素鈉 1 g，瓊脂2 g，蒸餾水定容100 mL，pH為7.2。

（6）產纖維素酶培養基。CMC-Na 1.5 g，（NH4）2SO4 0.2 g，蛋白胨 0.1 g，NaCl 0.2 g，MgSO4·7H2O 0.05 g，K2HPO4? 0.4 g，CaCl2 0.03 g，蒸餾水定容到100 mL。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌種的分離篩選。

稱取10 g土壤用90 mL的無菌水溶解搖勻，用盛有9 mL無菌水的試管進行梯度稀釋，依次為10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8，充分混勻，并做好標記。分別吸取1 mL 10-5、10-6、10-7、10-8試管中的混合溶液，每個試管中的溶液分別涂布到2個制備好的LB固體培養基中，做好標記。38 ℃恒溫培養箱中培養1 d。從培養的平板中再次挑菌，接種到新的LB固體培養基中，純化重復2～3次。

1.2.2 PCR擴增和16S rDNA瓊脂糖凝膠電泳。

取純化的菌株放入有50 μL雙蒸水的離心管中，搖晃混勻；離心管用泡沫浮板固定，放到提前預熱到100 ℃的水浴鍋中，煮沸10 min，將處理過的菌液置于離心機中，5 000 r/min，離心10 min，取上清液。

將離心取得的上清液與dNTP、buffer、Taq酶和引物27F（5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′）、1492R（5′- GGTTACCTTGTTACGACTT-3′），以及雙蒸水按照標準配制成25 μL的體系［10×緩沖液2.5 μL，dNTP 2.5 μL，DNA模板1 μL，Taq酶0.25 μL，2種引物（27F和1492R）各1 μL，雙蒸水補至25 μL］，將混合好的體系放到無菌的EP管中，用漩渦振蕩儀混合均勻。設置PCR儀程序（95 ℃預變性3 min，95 ℃變性30 s，56 ℃退火30 s，72 ℃延伸90 s，進行35個循環，最后72 ℃延伸10 min），進行PCR擴增。

將0.2 g瓊脂糖和20 mL電泳液加熱混合均勻，待混合液的溫度下降至40 ℃左右加入2 μL核酸染料混合均勻后倒入模具中，待凝膠凝固后放入電泳池中。取4 μL PCR產物與等量的londing buffer混合均勻，用移液槍轉移到電泳池的凝膠孔中，110 V電泳40 min，結束后使用凝膠成像系統觀察電泳結果。保存條帶在1 500 bp左右的PCR產物，送至青島蔚來生物科技有限公司進行測序，得到菌株（K3菌）的16S rDNA擴增片段序列。

應用NCBI上的BLAST功能對所得到的序列進行同源分析，并利用MEGA6軟件構建系統發育樹。

1.2.3 產纖維素酶性能測定。

①將K3菌分四區接種到纖維素酶測定培養基中，置于37 ℃恒溫箱培養1 d。

②向培養基中加入適量的2%剛果紅溶液，染色15 min后，用蒸餾水和1 mol/L NaCl溶液進行清洗，觀察菌種周圍有無水解圈。若存在水解圈，測量水解圈的直徑。

③挑取菌種接種到產纖維素酶培養基中，置搖床37 ℃培養1 d。12 000 r/min離心10 min。

④取2次0.5 mL上清液分別置于A、B管中，A管用50 ℃水浴鍋預熱，B管100 ℃滅活。取出，A、B管同時加入1.5 mL 1% CMC溶液，在50 ℃水浴鍋中，保溫30 min。取出，分別加入3 mL DNS溶液，沸水煮沸10 min，冷水降溫，540 nm 波長測OD值。比對標準曲線測出葡萄糖含量，計算纖維素酶酶活。

1.2.4 抑菌性能測定。

①用接種環挑取禾谷鐮刀菌接種到盛有無菌水的錐形瓶中，加入適量玻璃珠，搖晃振蕩使病原菌上的孢子分散在水中，過濾得到只含有孢子的懸浮液。

②制備PDA固體培養基，在培養基冷卻但是在凝固之前加入孢子懸液，并放入直徑為10 mm牛津杯，凝固后取出牛津杯。

③對純化的解淀粉芽孢桿菌進行液體培養，取菌液置于離心管中5 000 r/min離心10 min，取上清液并進行梯度稀釋，取20 μL上清液依次加至牛津杯在PDA固體培養基中留下的孔中。在恒溫培養箱中28 ℃培養3 d，觀察是否產生抑菌圈，若有測量抑菌圈的大小，并計算抑菌效價，抑菌效價=（抑菌圈直徑-牛津杯直徑）/發酵液體積×1 000。

2 結果與分析

2.1 16S rDNA同源性分析

分離得到的菌株（K3菌）的16S rDNA擴增片段長度為1 430 bp，如圖1所示。將獲得的序列片段利用NCBI的BLAST功能進行比對，結果顯示篩選所得菌種與解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）同源性高，初步判斷此菌種為解淀粉芽孢桿菌。

應用MEGA6軟件進行分析，建立系統發育樹。從系統發育樹（圖2）可以看出，K3菌與解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）在同一分支，說明兩者之間存在的親緣關系最近，所以進一步確定篩選出的K3菌為解淀粉芽孢桿菌。

2.2 產纖維素酶性能分析

纖維素酶測定培養基平板上接有菌種的4個分區盡管菌落大小不同，但是都有不同程度的水解圈。各個分區具體菌落直徑以及對應的水解圈直徑如表1所示，雖然有著不同大小的水解圈，但是水解圈直徑與菌落直徑的差值在1.0～1.3，這說明解淀粉芽孢桿菌是能夠產出一定量的纖維素酶。經計算，該纖維素酶的平均酶活為26.86 U/mL。

2.3 抑制禾谷鐮刀菌活性分析

從抑制病原菌生長的平板上可以明顯地觀察到滴加不同濃度解淀粉芽孢桿菌菌液的4個分區都產生了不同程度的抑菌圈，這說明解淀粉芽孢桿菌能夠抑制病原菌禾谷鐮刀菌的生長。但是由于所加入的上清液濃度變化不大，導致抑菌圈的大小變化不大。測量各濃度解淀粉芽孢桿菌菌液抑制禾谷鐮刀菌產生的抑菌圈直徑（表2），可以直觀地看到上清液的濃度越高，抑菌圈越大，抑菌效果越好，未經稀釋的菌液抑菌效價可達到465 mm/mL。

3 討論

纖維素不僅是一種可再生資源，而且它在自然界中的分布也最為廣泛［ 14］，主要存在于植物的莖干、樹葉等部位。自然界中的植物、動物、微生物都可以通過產生纖維素酶使纖維素參與到物質循環中。在土壤中也存在多種能夠通過產酶的方式以雜草或者莖稈中存在的纖維素為底物分解成不同小分子物質的微生物，提高土壤肥力。趙龍妹等［ 15］研究表明土壤中的巨大芽孢桿菌能夠產生纖維素酶，張功友等［ 16］從重樓的內生菌中發現部分內生菌具有產纖維素酶的功能。所以該研究測定從土壤中純化出來的解淀粉芽孢桿菌是否可以分泌纖維素酶來促進纖維素的降解，結果表明該菌具有此能力。

由于化學藥劑給農業帶來的弊端不斷顯現，人們更加關注農業生產安全且具有防治功能的微生物［ 17］。芽孢桿菌是目前應用比較廣泛并且作用比較強的菌種，因為它有著繁殖時間短、適應能力強、抑菌譜廣等優點，可以通過抑制植物病原菌的生長來減少植物的感染范圍，從而提高植物體的生存能力，也已被人們廣泛地運用到各種農業技術生產過程中以預防各種病蟲害中［ 18］。解淀粉芽孢桿菌對我國許多地方存在的植物病害均有顯著的防治效果，王愛玉等［ 19］研究表明，解淀粉芽孢桿菌能夠有效提高棉花的產量，對立枯病和黃萎病有很好的防治效果。秦燕等［ 20］研究表明，解淀粉芽孢桿菌和哈茨木霉復配能夠通過抑制灰霉菌的分生孢子來防治草莓灰霉病。該研究采用抑菌圈法檢測解淀粉芽孢桿菌對病原菌禾谷鐮刀菌的抑制效果。由于所采用的牛津杯法導致部分結果存在誤差，一定濃度的解淀粉芽孢桿菌菌液能夠抑制病原菌的生長。

根是植物體中的重要器官，土壤中的營養成分就是通過它源源不斷地輸送到植物體內的，那么對于植物的生長，根部環境的改善尤為重要。由植物根際、土壤中根際微生物和周圍的其他因子構成的根際微生態系統［ 21］能夠很好地維持植物的生長。生防菌大多也是參與到植物根際在生態系統中發揮作用的。施加生防菌能夠在不造成環境污染等問題的情況下，修復被破壞的土壤，提高根際微生物群落的多樣性［ 22］，進而增強植株抗病蟲害的能力。所以生防菌對于集約化農業生產產生的土壤問題的解決有重要作用，在農業生產領域有極大的發展空間。

生防菌主要是添加到微生物肥料中發揮作用，但是單一菌種會產生菌株功能退化的現象，從而導致效果不穩定，并且由于菌種退化增大了感染雜菌的可能［ 23］。所以這需要考慮將不同的菌種或者化學試劑相互配合使用，來達到更加明顯的效果。例如，多種菌種相互影響能夠更好地降解土壤中的纖維素［ 24］。

生防菌在土壤中的定植能力不穩定。生防菌在施加到土壤中后，需要一定的時間適應新環境，進行繁殖生長。而在這一過程中有些生防菌由于與土壤中土著微生物的競爭［ 25］，可能最終留在土壤中的微乎其微，這嚴重影響了生防菌發揮作用。對于這種生防菌可以在施用之前先采用農家肥處理，豐富土壤中的有機質［ 26］，以此來增強生防菌的定殖能力。

4 結論

解淀粉芽孢桿菌是構成微生物肥料常用的微生物種類，它可以通過不同的機制在農業生產中發揮作用。該研究從產酶和抑菌2個方面探討解淀粉芽孢桿菌的作用，結果表明，解淀粉芽孢桿菌不僅可以產生纖維素酶，還可以抑制病原菌禾谷鐮刀菌的生長，具有較強的生防潛力。

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