王志芳, 李貞景, 楊明冠, 路來風(fēng), 王昌祿,*, 李 政,張健飛, 鞏繼賢
(1.天津工業(yè)大學(xué) 分析測(cè)試中心, 天津 300387;2.天津科技大學(xué) 食品工程與生物技術(shù)學(xué)院/食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300457;3.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300387)
鐮刀菌是世界性分布的一類真菌,可侵染達(dá)100余種植物,引起植物的根腐、莖腐、花腐和穗腐等多種病害[1-2]。鐮刀菌侵染寄主植物維管束系統(tǒng),破壞植物的輸導(dǎo)組織維管束,并產(chǎn)生毒素,造成作物萎蔫死亡,屬于生產(chǎn)上最難防治的重要病害之一。鐮刀菌在世界范圍內(nèi)造成許多毀滅性的植物病害,如串珠鐮刀菌(Fusariummoniliforme)、尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)造成香蕉萎蔫病,禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)造成頸腐病等[3-5]。串珠鐮刀菌還會(huì)污染玉米、高粱、小麥、棉花及某些飼料等,為非專性、非宿主特異性病原菌,其水溶性代謝產(chǎn)物伏馬菌素(fumonisin),還可以引起動(dòng)物各種疾病,如馬腦白質(zhì)軟化癥、豬肺水腫或大鼠肝癌[6-7]。采用生物防治手段對(duì)有害霉菌及其毒素進(jìn)行防控,對(duì)環(huán)境污染小,符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方向,受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家關(guān)注。
鏈霉菌是重要的生防菌株,利用鏈霉菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝物開發(fā)抑菌劑具有天然、安全、抑菌效果好等特點(diǎn),被廣泛用于農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥領(lǐng)域[8-10]。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展,研究者們?cè)跇O端環(huán)境微生物、新菌種篩選、新物質(zhì)分離等方面取得了一定的成果。鏈霉菌具有產(chǎn)生多種次級(jí)代謝物的能力,對(duì)尋找具有新穎化學(xué)結(jié)構(gòu)及開發(fā)新作用機(jī)理的抗菌藥物生物活性資源具有重要意義[11-14]。
Streptomycesalboflavus是從土壤中篩選到的一株拮抗菌,保藏于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(CGMCC No. 4666),16S rDNA在NCBI注冊(cè)登錄號(hào)為JX915780,鑒定為白黃鏈霉菌。對(duì)峙培養(yǎng)法研究發(fā)現(xiàn),該菌對(duì)黃曲霉(Aspergillusflavus)、黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、赭曲霉(Aspergillusochraceus)、純綠青霉(Penicilliumverrucosum)、串珠鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、茄腐鐮刀菌(Fusariumsolani)等常見重要植物病原菌具有廣譜拮抗作用,尤其對(duì)串珠鐮刀菌的抑制效果最好,且還會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性抑菌物質(zhì)[15-16]。為進(jìn)一步研究Streptomycesalboflavus產(chǎn)生的生物活性物質(zhì),本研究對(duì)其產(chǎn)生的胞內(nèi)抗菌物質(zhì)進(jìn)行定性分析,并研究其活性物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌的抑菌機(jī)理,希望為利用鏈霉菌開展鐮刀菌的生物防治技術(shù)研究提供理論依據(jù)。
1.1.1菌株和培養(yǎng)基
拮抗菌株:拮抗鏈霉菌菌株Streptomycesalboflavus,本實(shí)驗(yàn)室自天津市寶坻區(qū)飼料廠儲(chǔ)糧倉(cāng)周圍的土壤中篩選分離獲得并保藏。供試菌株:串珠鐮刀菌(Fusariummoniliforme),由天津市畜牧獸醫(yī)研究所提供。
供試培養(yǎng)基:高氏一號(hào)液體培養(yǎng)基,用于Streptomycesalboflavus發(fā)酵液的培養(yǎng);PDA培養(yǎng)基,用于指示菌串珠鐮刀菌的培養(yǎng)及拮抗活性的測(cè)定。
1)高氏一號(hào)合成培養(yǎng)基配方:可溶性淀粉,20.0 g;NaCl,0.5 g;FeSO4·7H2O,0.01 g;MgSO4·7H2O,0.5 g;KNO3,1 g;K2HPO4,0.5 g;瓊脂,20 g;自來水,1 000 mL;調(diào)節(jié)pH值7.2~7.4。
2)高氏一號(hào)液體培養(yǎng)基配方:可溶性淀粉,20.0 g;黃豆粉,10.0 g;KNO3,1.0 g;K2HPO4,0.5 g;NaCl,0.5 g; MgSO4·7H2O,0.5 g;FeSO4·7H2O,0.01 g;自來水,1 000.0 mL;pH值7.2~7.4。
3)PDA培養(yǎng)基配方:稱取去皮馬鈴薯200.0 g,切成小塊,加入1 000.0 mL水,煮沸30 min,用雙層紗布濾成清液。加水至1 000.0 mL,然后加入20.0 g葡萄糖至完全溶解,pH值自然。
4)查氏培養(yǎng)基配方:NaNO3,3.0 g; K2HPO4,1.0 g;MgSO4·7H2O,0.5 g;KCl,0.5 g;FeSO4·7H2O,0.01 g;蔗糖,30.0 g;蒸餾水,1 000 mL;pH值自然。
1.1.2原料和試劑
黃豆粉,食品級(jí),天津市售黃豆粉;硫酸亞鐵、硫酸鎂,化學(xué)純,天津市化學(xué)試劑一廠;可溶性淀粉、氯化鈉、硝酸鉀,分析純,天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠;膽固醇(質(zhì)量比94%)、麥角甾醇(質(zhì)量比大于75%),Sigma-aldrich公司;葡聚糖(質(zhì)量比大于97%),百特純大分子科技有限公司;殼聚糖(質(zhì)量比大于85%),湖北圣天宇公司;硅膠G、硅膠H,青島海洋化工廠;葡聚糖凝膠LH- 20,Pharmacia公司。
LS- B50L型立式壓力蒸汽滅菌鍋,上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司;KCL2000型恒溫恒濕培養(yǎng)箱,日本Eyela東京理化公司;AG22331型高速離心機(jī),德國(guó)Eppendorf公司; CX41型生物顯微鏡、BX- 60型熒光顯微鏡,Olympus公司;SU- 1510型掃描電子顯微鏡,Hiachi公司。
1.3.1Streptomycesalboflavus的發(fā)酵培養(yǎng)
將Streptomycesalboflavus菌株劃線于高氏一號(hào)固體培養(yǎng)基斜面上進(jìn)行活化, 28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5~6 d,制備1×106CFU/mL孢子懸液,按體積分?jǐn)?shù)10%添加量加入到液體發(fā)酵培養(yǎng)基中,28 ℃,180 r/min搖床培養(yǎng)6 d。
1.3.2Streptomycesalboflavus中抑菌活性物質(zhì)的分離純化
用8層紗布過濾發(fā)酵液,得到鏈霉菌菌絲體。甲醇浸提菌絲體,將浸提液減壓濃縮,粗提物經(jīng)萃取、硅膠吸附柱層析、葡聚糖凝膠LH- 20柱層析分離純化,得到脂溶性抑菌組分。
1.3.3抑菌活性物質(zhì)檢測(cè)方法
采用牛津杯法測(cè)定抑菌物質(zhì)的生物活性。將串珠鐮刀菌的孢子懸浮液接種于PDA培養(yǎng)基中,然后放置3個(gè)牛津杯,將活性物質(zhì)加入一個(gè)牛津杯,其余兩個(gè)作為空白對(duì)照組,培養(yǎng)3 d。
1.3.4抑菌活性物質(zhì)pH紙層析
以新華一號(hào)層析紙為固定相,用pH值為2.2~8.0的磷酸氫二鈉- 檸檬酸緩沖液及pH值9~10的甘氨酸- 氫氧化鈉溶液分別處理各濾紙條,晾干后備用。在每個(gè)pH值的濾紙條上一端標(biāo)記起點(diǎn),取抑菌物質(zhì)20 μL進(jìn)行點(diǎn)樣,晾干后分別在水飽和的正丁醇、水飽和的乙酸乙酯、體積分?jǐn)?shù)50%的乙醇中展層,用生物學(xué)顯跡法測(cè)遷移率Rf值,具體方法見參考文獻(xiàn)[17]。
1.3.5抑菌活性物質(zhì)Doskochilova溶劑紙層析
溶劑系統(tǒng):Ⅰ.水飽和的正丁醇;Ⅱ.水飽和的正丁醇,內(nèi)含質(zhì)量比2%的對(duì)甲苯磺酸;Ⅲ.V(正丁醇)∶V(乙酸)∶V(水)為2∶1∶1;Ⅳ.水飽和的正丁醇,內(nèi)含質(zhì)量比2%的六氫吡啶;Ⅴ.正丁醇飽和的0.5 mol/L、pH值為7的磷酸緩沖液;Ⅵ.正丁醇飽和的水,內(nèi)含質(zhì)量比2%的對(duì)甲苯磺酸;Ⅶ.V(苯)∶V(甲醇)為4∶1,濾紙先用磷酸緩沖液處理后晾干;Ⅷ.V(甲醇)∶V(水)為3∶1,水內(nèi)含質(zhì)量比3%的NaCl,濾紙先用質(zhì)量比5%的Na2SO4處理后晾干。用生物學(xué)顯跡法測(cè)遷移率Rf值,具體方法見參考文獻(xiàn)[17]。
1.4.1光學(xué)顯微鏡觀察
采用牛津杯法檢測(cè)抑菌物質(zhì)的抑菌活性,挑取由抑菌物質(zhì)作用產(chǎn)生的透明圈的邊際菌絲,光學(xué)顯微鏡觀察。挑取未受到抑制作用的菌絲作為對(duì)照。
1.4.2熒光顯微鏡觀察
將1×106CFU/mL的串珠鐮刀菌孢子懸浮液接種于察氏液體培養(yǎng)基中,28 ℃,180 r/min條件下培養(yǎng)48 h。將串珠鐮刀菌的培養(yǎng)液以轉(zhuǎn)速為4 000 r/min,離心10 min,棄上清液,用抑菌物質(zhì)溶液輕輕懸浮菌絲15 min,去離子水清洗后,用碘化丙啶(PI)染色后,在熒光顯微鏡下進(jìn)行觀察。對(duì)照組菌絲用體積比為50%甲醇(配制抑菌物質(zhì)的溶液)處理。激發(fā)光波長(zhǎng)450~490 nm,發(fā)射光波長(zhǎng)520 nm。
1.4.3掃描電子顯微鏡觀察
采用牛津杯法檢測(cè)抑菌物質(zhì)的抑菌活性,并用雙面刀片從抑菌物質(zhì)作用產(chǎn)生的透明圈的邊際取樣(3~5 mm3),2.5%戊二醛固定2 h,磷酸緩沖液清洗,酒精梯度脫水(體積分?jǐn)?shù)為50%、70%、80%、90%、100%乙醇各20 min),干燥,離子鍍膜法鍍膜,掃描電鏡觀察、照相。以未受到抑制作用的菌絲作為對(duì)照。
1.5.1抑菌物質(zhì)對(duì)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜組成物質(zhì)的拮抗作用測(cè)試
參照文獻(xiàn)[18]進(jìn)行,配制含有不同濃度的膠狀幾丁質(zhì)、殼聚糖、β-1,3葡聚糖的培養(yǎng)基,其終質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、10.0 mg/mL,滅菌備用。卵磷脂、麥角甾醇、膽固醇分別配成質(zhì)量濃度l mg/mL母液,過濾除菌后,加入培養(yǎng)基中,使其終質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、10.0、50.0 μg/mL。通過牛津杯法檢測(cè)加入的物質(zhì)是否對(duì)抑菌物質(zhì)的抑菌活性產(chǎn)生拮抗作用。
1.5.2抑菌物質(zhì)對(duì)菌絲細(xì)胞膜中麥角甾醇合成的檢測(cè)
1.5.2.1 菌株培養(yǎng)及難皂化脂的提取[19-20]
將抑菌物質(zhì)加入到PDB培養(yǎng)液中,終質(zhì)量濃度為10.21 μg/mL,同時(shí)接入串珠鐮刀菌孢子懸浮液。以不加抑菌物質(zhì)作為空白對(duì)照組,培養(yǎng)3 d后,分別離心收集菌體,PBS洗滌兩次至上清液無色,去上清液。精確稱取菌體2.5 g,置于250 mL回流瓶中,加堿醇溶液(20% NaOH與95%乙醇體積比為5∶3)32 mL,在90 ℃水浴中皂化1.5 h。再加95%乙醇4 mL繼續(xù)皂化1 h,冷卻后加20 mL 石油醚(沸程30~60 ℃),充分振蕩20 min,靜置2 h。提取2次,取上層液,用10 mL蒸餾水洗1次,取1 mL定容至10 mL,備用。
1.5.2.2 麥角甾醇HPLC檢測(cè)[21]
色譜條件為: 流動(dòng)相V(甲醇)∶V(水)為98∶2;柱溫30 ℃,檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm,流速1.0 mL/min,靈敏度0.01 AUFS,進(jìn)樣量10 μL。
配制麥角甾醇標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度分別為0.062 5、0.125 0、0.250 0、0.500 0、1 .000 0 mg/mL,制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,并對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。
Streptomycesalboflavus中活性物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌的抑制作用見圖1。由圖1可知,加入活性物質(zhì)的牛津杯周圍產(chǎn)生透明的抑菌圈,活性物質(zhì)顯示出很強(qiáng)的抑菌作用,在透明圈內(nèi)沒有串珠鐮刀菌生長(zhǎng)。
圖1 抑菌物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌的抑制作用Fig.1 Inhibit action of active antifungal substance against Fusarium moniliforme
抑菌物質(zhì)pH紙層析結(jié)果見圖2(層析體系為50%乙醇)。由圖2可以看出,該物質(zhì)呈現(xiàn)中性抗生素的特征,不論pH值有何變化,Rf值幾乎不變。
以不同pH值緩沖液處理的層析紙為固定相,用合適的溶劑系統(tǒng)為移動(dòng)相,對(duì)不同類型的抗生素進(jìn)行層析,pH紙層析的Rf值有一定變化規(guī)律??蓪⒖股胤譃樗嵝钥股?、堿性抗生素、中性抗生素和兩性抗生素。
圖4 抑菌物質(zhì)對(duì)菌絲形態(tài)影響的光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果Fig.4 Effects of antifungal substance on morphological of Fusarium moniliforme by optical microscope
圖2 抑菌物質(zhì)的pH紙層析結(jié)果Fig.2 Results of paper chromatography of pH system
抑菌物質(zhì)捷克八紙層析結(jié)果見圖3。由圖3可知,活性物質(zhì)在溶劑系統(tǒng)5和6中移動(dòng)極小,而在其他溶劑系統(tǒng)中均移動(dòng)較大,成為倒船帆形。與捷克學(xué)者提出的6類標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較,所得的活性物質(zhì)的抗生素類別與非水溶性Ⅰ型抗生素層析圖譜相似,推斷該活性物質(zhì)為非水溶性Ⅰ型抗生素。
圖3 抑菌物質(zhì)在捷克八溶劑系統(tǒng)的紙層析結(jié)果Fig.3 Results of paper chromatography of Doskochilova system
2.4.1光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果
用光學(xué)顯微鏡觀察抑菌物質(zhì)對(duì)菌絲體形態(tài)的影響,結(jié)果如圖4。由圖4可知,空白對(duì)照組,菌絲形態(tài)結(jié)構(gòu)完整、表面光滑,菌絲體圓潤(rùn)飽滿、分布均勻,表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)狀態(tài);抑菌物質(zhì)作用48 h后的串珠鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)畸形,變得粗細(xì)不均,尤其菌絲末端有膨大現(xiàn)象,整個(gè)菌絲上有“念珠狀”空泡出現(xiàn),并可見不完整菌絲,原生質(zhì)體外泄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,抑菌物質(zhì)可能會(huì)通過使菌絲末端膨大阻礙菌絲繼續(xù)生長(zhǎng)。
2.4.2熒光顯微鏡觀察結(jié)果
經(jīng)PI染色后的空白對(duì)照組和抑菌物質(zhì)處理組菌絲,在熒光顯微鏡下觀察結(jié)果如圖5。圖5中,抑菌物質(zhì)處理15 min后,多數(shù)菌絲的細(xì)胞核被染成了紅色,而空白對(duì)照組菌絲沒有被染色,推測(cè)抑菌物可能破壞串珠鐮刀菌菌絲細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致膜通透性改變,干擾了菌體正常生理代謝的功能,從而起到對(duì)串珠鐮刀菌的抑制作用。
2.4.3掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果
采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察抑菌物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌的抑制作用,結(jié)果見圖6。圖6中,空白對(duì)照組菌絲生長(zhǎng)繁茂,菌絲細(xì)長(zhǎng)、均勻;活性物質(zhì)處理組,大多數(shù)菌絲體變形、孢子萌發(fā)出畸形的菌芽,出現(xiàn)較大的囊泡。泡囊狀菌絲表面凹凸不平,并殘留有碎片,推測(cè)活性物質(zhì)可能會(huì)抑制孢子的萌發(fā),破壞串珠鐮刀菌菌體的完整性,進(jìn)而產(chǎn)生抑菌或殺菌作用。
2.5.1抑菌物質(zhì)對(duì)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜組成物質(zhì)的拮抗效果
抑菌物質(zhì)對(duì)細(xì)胞壁物質(zhì)和細(xì)胞膜組成物質(zhì)的拮抗作用見圖7。圖7中,含有膠狀幾丁質(zhì)、殼聚糖、β-1,3葡聚糖、卵磷脂和膽固醇的培養(yǎng)皿中活性組分的抑菌作用沒有變化;而含有麥角甾醇的平板中,抑菌物質(zhì)的抑菌圈直徑減小,并隨著麥角甾醇濃度的增加,拮抗效果加強(qiáng),提示抑菌物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌的作用靶點(diǎn)可能與細(xì)胞膜中麥角甾醇有關(guān)。
1~6分別表示:膠狀幾丁質(zhì)、殼聚糖、β-1,3葡聚糖、卵磷脂、麥角甾醇、膽固醇;不同小寫字母表示經(jīng)Duncan 新復(fù)極差法檢驗(yàn),在P<0.05水平差異顯著。圖7 細(xì)胞膜壁物質(zhì)對(duì)抑菌物質(zhì)的拮抗效果Fig.7 Antagonism of components of cell membrane and cell wall to antifungal substance
2.5.2抑菌物質(zhì)對(duì)菌絲細(xì)胞膜中麥角甾醇合成的影響
2.5.2.1 麥角甾醇的標(biāo)準(zhǔn)曲線分析
對(duì)不同質(zhì)量濃度的麥角甾醇標(biāo)準(zhǔn)品分別進(jìn)行HPLC分析。以麥角甾醇的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),以峰面積為縱坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明,麥角甾醇質(zhì)量濃度為0.062 5~1.000 0 mg/mL時(shí),標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性良好,回歸方程為Y=6 378.8X+87.864,R2=0.999 9。
2.5.2.2 串珠鐮刀菌菌體細(xì)胞膜中麥角甾醇的檢測(cè)結(jié)果
以標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間和峰面積值分別作為定性、定量依據(jù)。結(jié)果表明,正常菌絲的細(xì)胞膜中麥角甾醇質(zhì)量濃度為124.00 ng/mL,而用抑菌物質(zhì)處理菌絲的細(xì)胞膜中麥角甾醇的質(zhì)量濃度為0.81 ng/mL,表明抑菌物質(zhì)處理后的串珠鐮刀菌菌絲細(xì)胞膜中麥角甾醇的生物合成減小。
本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Streptomycesalboflavus產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā)都有很強(qiáng)的抑制作用??咕镔|(zhì)濃度高時(shí),能造成菌絲生長(zhǎng)畸形、短粗,膨大形成“念珠狀”,菌絲不能向前生長(zhǎng),從而使其受到抑制;此外,抗菌物質(zhì)處理后的病原菌菌絲尖端形成膨脹泡而破裂,引起原生質(zhì)外泄,造成溶菌現(xiàn)象。熒光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),活性物質(zhì)還可能對(duì)串珠鐮刀菌的菌體細(xì)胞膜造成損傷,導(dǎo)致大分子的PI染料進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞核DNA結(jié)合生成紅色熒光物,而正常組菌絲中未見紅色熒光物。通過檢測(cè)細(xì)胞壁物質(zhì)和細(xì)胞膜組成物質(zhì)與抑菌物質(zhì)對(duì)串珠鐮刀菌抑菌效果的拮抗作用的影響,發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基含有麥角甾醇的平皿中,抑菌物質(zhì)的抑菌圈直徑減?。贿M(jìn)一步用HPLC法檢測(cè)了經(jīng)過抑菌物質(zhì)處理的菌絲和空白對(duì)照組菌絲中難皂化脂類提取物中麥角甾醇的含量,結(jié)果表明,受抑菌物質(zhì)作用的菌絲細(xì)胞膜中麥角甾醇的生物合成減少。
鏈霉菌是重要的天然抗生素來源菌群,自從抗生素問世以來,各國(guó)學(xué)者對(duì)抗生素如何作用于微生物和作用的具體靶標(biāo)位點(diǎn)等抑菌機(jī)理進(jìn)行了很多研究。結(jié)果表明,抗生素能通過作用于微生物細(xì)胞膜、細(xì)胞壁、蛋白質(zhì)合成系統(tǒng),抑制核酸或核苷酸的合成等多種方式產(chǎn)生抑菌效果;而有一些抗菌物質(zhì)會(huì)通過幾種抑制方式同時(shí)作用于病原菌,達(dá)到抑菌作用。Streptomycesalboflavus產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)對(duì)指示菌蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)、核酸或核苷酸的合成等其他作用方式值得進(jìn)一步探究。隨著分子生物學(xué)技術(shù)在抑菌機(jī)理方面的應(yīng)用,也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)一些新的特異性作用靶點(diǎn)和?;园袠?biāo)酶[22-23]。研究抑菌物質(zhì)的抑菌機(jī)理及新的抑菌作用方式對(duì)探尋新型防霉保鮮劑具有重要意義。