許子璇,吳達(dá)仁,2,王建宇,周 波,李 健,2,蘇國成
(1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院,福建 廈門 361021;2.福建省海洋功能食品工程技術(shù)研究中心,福建 廈門361021;3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東 泰安 271018)
瘡痂鏈霉菌(Streptomycesscabies)是馬鈴薯瘡痂病的病原菌,作為革蘭氏陽性、絲狀、腐生放線菌,其菌絲尖端釋放的孢子可在根際土壤、種子中傳播,并通過莖塊傷口、皮孔等侵染甜菜、蘿卜、馬鈴薯等多種植物[1]。瘡痂鏈霉菌能夠產(chǎn)生黑色素、灰色氣生菌絲和孢子螺旋鏈[2],并隨著染病馬鈴薯的生長發(fā)育,鏈霉菌會(huì)影響其組織擴(kuò)張,導(dǎo)致其呈現(xiàn)軟木狀表皮壞死性病變,最終使馬鈴薯表面形成凸起的硬癍[3]。染病的馬鈴薯在清洗過程中不易被處理干凈,這不僅會(huì)導(dǎo)致加工成本增加,還嚴(yán)重降低其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2015年,我國農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,為滿足日益增長的糧食需求,培育優(yōu)質(zhì)無病害的馬鈴薯是關(guān)鍵。馬鈴薯瘡痂病在我國各大馬鈴薯產(chǎn)區(qū)普遍存在[4-7],但對(duì)其防治手段有限,目前主要依賴化學(xué)防治手段[8],這種手段存在農(nóng)藥殘留、藥效低、耐藥性強(qiáng)、土壤污染等問題[9]。因此,近年來研究熱點(diǎn)主要集中在生物防治,利用土壤微生物的拮抗特性開發(fā)生防菌劑[10-12],可以實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)體系的改良和病害的防治,是綠色、環(huán)保、高效的防治手段[13]。目前,有效針對(duì)馬鈴薯瘡痂鏈霉菌的生防菌研究較少,仍未開發(fā)出可以代替化學(xué)農(nóng)藥且低毒、安全、高效的生防菌劑。
芽孢桿菌在植物根際土壤中廣泛存在,它可以產(chǎn)生具有高度抗性的內(nèi)生孢子[14],是開發(fā)生防菌劑的重要來源。目前,已有多種芽孢桿菌被報(bào)道,如解淀粉芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌等,它們可通過分泌抗菌代謝產(chǎn)物來抑制食源性病害[15-18],但對(duì)于土壤來源的甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌(Bacillusmethylotrophicus)的研究相對(duì)較少。甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌是2010年由Madhaiyan等[19]在水稻根際土壤中分離報(bào)道的新菌種,其對(duì)葡萄霜霉病[20]、葡萄灰霉病[21]、黃瓜炭疽病[22]、羅漢果斑枯病[23]、梨黑斑病[24]、西瓜枯萎病[25]等多種植物病害有抑制作用,對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等食源性致病菌也有抑菌作用[26],具有開發(fā)生防菌劑的潛力。
本實(shí)驗(yàn)探究了2種土壤來源的甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌在不同條件下對(duì)馬鈴薯瘡痂鏈霉菌的拮抗效果,測試其發(fā)酵上清液的最佳發(fā)酵時(shí)間以及經(jīng)不同溫度、紫外照射、pH值、蛋白酶處理后的穩(wěn)定性,并與市售農(nóng)藥進(jìn)行對(duì)比,明確其體外急性細(xì)胞毒性作用和抑菌效果,以評(píng)估其作為生防菌劑的潛力。
1.1.1 材料
病原菌:瘡痂鏈霉菌(AMCC400023)[27]。拮抗菌:SJ80、SJ81甲基營養(yǎng)芽孢桿菌,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室。LO2正常肝臟細(xì)胞,大白鼠腎上腺髓質(zhì)嗜鉻瘤細(xì)胞PC12,集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院。
LB培養(yǎng)基(g/L):胰蛋白胨10,氯化鈉10,酵母粉5,瓊脂粉20,pH=7.0~7.5。放線菌液體培養(yǎng)基,海博生物有限公司。
1.1.2 主要試劑
噻唑蘭(MTT),南京奧多福尼生物科技有限公司;DMEM培養(yǎng)基、磷酸緩沖液(PBS)、雙抗(PS),美國Hyclone公司;胎牛血清(FBS),澳洲GEMINI公司;咯菌腈(fludioxonil),瑞士先正達(dá)作物保護(hù)有限公司;辛菌胺醋酸鹽,山西美源化工有限公司;其余試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.2.1 菌株形態(tài)觀察
將拮抗菌培養(yǎng)于LB固體培養(yǎng)基中,用革蘭氏染色法處理拮抗菌后,在光學(xué)顯微鏡下觀察菌體形態(tài)。
1.2.2 拮抗菌發(fā)酵上清液制備
挑取單菌落接種于裝有50 mL LB液體培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中,37 ℃、180 r/min振蕩培養(yǎng)12 h,得到種子液。按1%接種量將種子液接種至裝有20 mL LB液體培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中,于37 ℃、180 r/min恒溫振蕩培養(yǎng)48 h。將培養(yǎng)好的發(fā)酵液12 000 r/min離心10 min,收集上清液,用0.22 μm濾膜過濾后,4 ℃ 保存待用。
1.2.3 病原菌孢子懸浮液制備
挑取一環(huán)活化好的瘡痂鏈霉菌,緊密地劃在高氏一號(hào)培養(yǎng)基上,28 ℃ 恒溫靜置培養(yǎng)2~3 d。吸取無菌水于平板上,用刀片輕輕刮下表面孢子,少量多次沖洗培養(yǎng)基表面孢子,收集至50 mL離心管中,4 ℃保存待用。
1.2.4 拮抗物質(zhì)發(fā)酵時(shí)間優(yōu)化
將2株拮抗菌連續(xù)6 d在同一時(shí)間接種于LB液體培養(yǎng)基中,在37 ℃、180 r/min條件下恒溫培養(yǎng),每隔24 h取一次樣品,采用牛津杯法測定抑菌直徑,每組重復(fù)3次。
1.2.5 拮抗菌發(fā)酵產(chǎn)物穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
牛津杯法抑菌試驗(yàn):在放線菌固體培養(yǎng)基表面涂布200 μL病原菌孢子懸浮液[28],至表面沒有明顯水分后,將無菌牛津杯垂直插入培養(yǎng)基表面,每孔加入200 μL樣品,28 ℃ 恒溫靜置培養(yǎng)48 h后,測量抑菌圈直徑,計(jì)算抑菌率。計(jì)算公式為:抑菌率/%=(1-d對(duì)照-d樣品/d對(duì)照)×100,其中,d為抑菌圈直徑。
參照Huang等[15]的方法對(duì)發(fā)酵上清液穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1)溫度穩(wěn)定性。將拮抗菌發(fā)酵上清液分別在50,60,70,80,90,100,121 ℃條件下處理30 min,冷卻后采用牛津杯法測定抑菌直徑,以未處理的發(fā)酵上清液為對(duì)照,每組重復(fù)3次,計(jì)算抑菌率。
2)紫外照射穩(wěn)定性。參照文獻(xiàn)[29],將拮抗菌發(fā)酵上清液分別置于15 W紫外燈下照射6,12,24 h,通過牛津杯法測定抑菌直徑,以未處理的發(fā)酵上清液為對(duì)照,每組重復(fù)3次,計(jì)算抑菌率。
3)pH值穩(wěn)定性。將拮抗菌發(fā)酵上清液用1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH調(diào)整pH值為1~13,靜置24 h后調(diào)回原始pH值,通過牛津杯法測定抑菌直徑,以未處理的發(fā)酵上清液為對(duì)照,每組重復(fù)3次,計(jì)算抑菌率。
4)蛋白酶穩(wěn)定性。選擇0.1,0.5,1.0 mg/L的胰蛋白酶和堿性蛋白酶處理發(fā)酵上清液,以1∶50的比例加入發(fā)酵上清液,37 ℃水浴2 h,90 ℃滅活蛋白酶,冷卻至室溫后用牛津杯法測定抑菌直徑,以酶液為空白組,以未處理的發(fā)酵上清液為對(duì)照組,每組重復(fù)3次,計(jì)算抑菌率。
1.2.6 拮抗菌粗提物細(xì)胞毒性試驗(yàn)
利用含體積分?jǐn)?shù)1%雙抗(青霉素、鏈霉素)和體積分?jǐn)?shù)10%胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基,在二氧化碳培養(yǎng)箱分別培養(yǎng)LO2細(xì)胞與PC12細(xì)胞,恒溫 37 ℃,二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為5%。
將2種拮抗菌發(fā)酵上清液用等體積乙酸乙酯萃取3次,萃取劑合并后真空濃縮,得到乙酸乙酯浸提物,用適量甲醇復(fù)溶并稀釋至不同濃度,用0.22 μm濾膜過濾后4 ℃ 保存待用。SJ80樣品作用的質(zhì)量濃度分別為50,100,150,200,250,300,350 mg/L;SJ81樣品作用的質(zhì)量濃度分別為25,50,5,100,125,150,175,200 mg/L。以辛菌胺醋酸鹽[30]和咯菌腈[8]2種農(nóng)藥作為對(duì)照進(jìn)行實(shí)驗(yàn),按照推薦使用濃度選擇辛菌胺醋酸鹽36 mg/L(稀釋500倍)、咯菌腈16.7 mg/L(稀釋1 500倍)。此外,設(shè)一個(gè)高濃度組辛菌胺醋酸鹽180 mg/L(稀釋100倍)、咯菌腈167 mg/L(稀釋150倍)作為參考。
參照肖寶平等[31]的MTT法測定體外急性細(xì)胞毒性,取對(duì)數(shù)生長期的LO2細(xì)胞制成均勻單細(xì)胞懸液,以1×104個(gè)/孔鋪至96孔板,100 μL/孔,置于培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h,待細(xì)胞貼壁后,吸棄舊培養(yǎng)基,加入不同濃度粗提物或藥品,繼續(xù)培養(yǎng)24 h后,每孔換100 μL新培養(yǎng)基,并加入15 μL 0.5 g/L的噻唑蘭,37 ℃ 孵育4 h后吸棄上清液,每孔加150 μL DMSO,震蕩10 min,在490 nm處檢測吸光度值。每個(gè)樣品做6個(gè)平行,設(shè)定DMSO為空白組,甲醇為溶劑對(duì)照組。PC12細(xì)胞實(shí)驗(yàn)方法同上,計(jì)算細(xì)胞活力公式如下:細(xì)胞活力/%=(A樣品-A空白)/(A溶劑-A空白)×100,其中,A為吸光度值。
1.2.7 農(nóng)藥對(duì)比試驗(yàn)
選擇1.2.6中質(zhì)量濃度為50,100,150,200 mg/L的SJ80粗提物,質(zhì)量濃度為50,75,100,125 mg/L的SJ81粗提物,以及4個(gè)濃度的農(nóng)藥,用牛津杯法比較抑菌活性,每組重復(fù)3次,計(jì)算抑菌率。
1.2.8 數(shù)據(jù)處理與分析
數(shù)據(jù)以SPSS statistics 17.0軟件進(jìn)行處理,采用單因素方差分析(ONEWAY-ANOVA)檢驗(yàn)其相關(guān)性和顯著性,P<0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
將2株拮抗菌接種在LB固體培養(yǎng)基上,于37 ℃ 恒溫靜置培養(yǎng)2 d,觀察菌落形態(tài)和革蘭氏染色后的顯微形態(tài)(1 000倍),結(jié)果如圖1所示??梢?,2株菌形態(tài)有明顯差異,SJ80單菌落呈圓形,邊緣粗糙,中間有褶皺狀圓形凸起,干燥無光澤,不透明 (見圖1a );SJ81單菌落大,形狀不規(guī)則,邊緣較光滑,中間有不規(guī)則褶皺凸起,表面無光澤,干燥 (見圖1c );2株菌在顯微鏡下觀察均呈藍(lán)紫色短桿狀(見圖1b、圖1d),均為革蘭氏陽性菌。
如圖2所示,在1~3 d內(nèi),2株拮抗菌隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,抑菌圈直徑顯著增加(P<0.01);在4~6 d內(nèi),發(fā)酵液的抑菌效果逐漸趨于平緩,不再提高。因此,2株拮抗菌活性物質(zhì)在發(fā)酵3 d達(dá)到飽和,最佳發(fā)酵時(shí)間為3 d。
如圖3所示,2種發(fā)酵上清液經(jīng)50~121 ℃ 處理后,抑菌率均高于90%,與未經(jīng)處理的對(duì)照組間沒有顯著性差異(P>0.05),說明2種發(fā)酵上清液的活性物質(zhì)在高溫下不會(huì)失活,對(duì)溫度不敏感,具有較強(qiáng)的耐熱性。
如圖4所示,SJ80發(fā)酵上清液經(jīng)紫外照射6,12,24 h后的抑菌率分別為96.23%,98.5%,99.3%,SJ81發(fā)酵上清液的抑菌率分別為94.22%,98.64%,99.25 %,2種發(fā)酵上清液抑菌活力均在90% 以上。與未經(jīng)處理的對(duì)照組相比,抑菌圈直徑均無顯著性差異(P>0.05),表明2株拮抗菌的活性物質(zhì)對(duì)紫外照射不敏感,在紫外線下較穩(wěn)定。
如圖5所示,SJ81發(fā)酵上清液在pH=1~13時(shí)均有抑菌活性,在pH=7,9時(shí)抑菌率達(dá)到88%,91%,與未經(jīng)處理的對(duì)照組無顯著性差異,其余pH值條件下與對(duì)照組有顯著性差異(P<0.05);SJ80發(fā)酵上清液在pH=1~11時(shí)均有抑菌活性,在pH=13時(shí)抑菌率為0,其中pH=9時(shí)抑菌率高達(dá)100%,與對(duì)照組無顯著性差異,在其余pH值條件下抑菌率均小于80%,與對(duì)照組有顯著性差異(P<0.05)。綜上可得,2株拮抗菌發(fā)酵上清液在弱堿條件下抑菌活性較高,強(qiáng)堿或偏酸條件下抑菌活性降低。
由于2種發(fā)酵上清液自身呈堿性,因此選擇胰蛋白酶和堿性蛋白酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖6??梢?,空白組的抑菌率均為0,排除了酶的自身作用,2株拮抗菌發(fā)酵上清液經(jīng)不同濃度酶液處理后,抑菌活性均高于95%,與對(duì)照組無顯著性差異(P>0.05)。由此可見,胰蛋白酶與堿性蛋白酶對(duì)2種拮抗菌發(fā)酵上清液中活性物質(zhì)無酶解作用。
由于拮抗菌發(fā)酵產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物,抑菌活性物質(zhì)與毒素物質(zhì)共同存在,若作為生防菌劑作用于農(nóng)田,噴灑過程會(huì)在農(nóng)作物上有些許殘留,有直接入口的風(fēng)險(xiǎn),因此,需要通過MTT實(shí)驗(yàn)確定其體外急性細(xì)胞毒性作用。如圖7所示,隨著樣品濃度增加, LO2、PC12細(xì)胞活力逐漸降低。對(duì)于LO2細(xì)胞,樣品質(zhì)量濃度在200 mg/L時(shí),細(xì)胞活力達(dá)到80%以上,在300 mg/L時(shí),細(xì)胞活力低于50% (見圖7a);樣品質(zhì)量濃度為75 mg/L時(shí),細(xì)胞活力在80%以上,在150 mg/L時(shí),細(xì)胞活力低于50%(見圖7b)。對(duì)于PC12細(xì)胞,樣品質(zhì)量濃度為200 mg/L時(shí),細(xì)胞活力仍在80%以上,在250 mg/L時(shí),細(xì)胞活力明顯下降,只有39.84%(見圖7c);樣品濃度在125 mg/L時(shí),細(xì)胞活力在80%以上,在150 mg/L和175 mg/L時(shí),細(xì)胞活力也處于較高水平,分別達(dá)到59.74%,58.89%,在200 mg/L時(shí),細(xì)胞活力才顯著降低至7.98%(見圖7d)。對(duì)于SJ80,LO2、PC12 2種細(xì)胞中其IC50分別為239,266 mg/L;對(duì)于SJ81,LO2、PC12 2種細(xì)胞中其IC50分別為137,161.3 mg/L,因此可知SJ81毒性比SJ80強(qiáng),可能是由于SJ81發(fā)酵產(chǎn)生的毒素物質(zhì)較多的緣故。4組農(nóng)藥對(duì)應(yīng)的細(xì)胞活力均低于50%,其中咯菌腈在16.7 mg/L時(shí)對(duì)LO2細(xì)胞活力為42.32%,對(duì)PC12細(xì)胞活力為28.52%,其余各濃度對(duì)2種細(xì)胞的細(xì)胞活力均在10%以下,細(xì)胞幾乎全部死亡,與對(duì)照組有極顯著性差異(P<0.01),與SJ80、SJ81粗提物相比表現(xiàn)出較大殺傷力,體現(xiàn)了拮抗菌生物防治的安全性(見圖7e)。
為了比較拮抗菌粗提物與農(nóng)藥的抑菌活性,選擇節(jié)2.7中細(xì)胞活力在80%以上的作用濃度與農(nóng)藥進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖8所示。可見,以抑菌效果最強(qiáng)的167 mg/L咯菌腈為抑菌率100%的對(duì)照組,其推薦使用濃度(16.7 mg/L)的抑菌率為25.46%;辛菌胺醋酸鹽在高濃度下的抑菌率為37.46%,在推薦使用濃度(36 mg/L)下的抑菌率為0。通過線性擬合,得到SJ80和SJ81粗提物的抑菌率方程分別為Y=0.215 7X+22.75和Y=0.176 3X+25.45。SJ80和SJ81粗提物在質(zhì)量濃度為16.7 mg/L時(shí)的抑菌率分別為26.35%,28.39%,均強(qiáng)于咯菌腈的抑菌效果,在質(zhì)量濃度為36 mg/L時(shí)的抑菌率分別為30.52%,31.8%,均強(qiáng)于辛菌胺醋酸鹽的抑菌效果。因此,在推薦使用濃度下,2株拮抗菌的抑菌效果均強(qiáng)于2種農(nóng)藥,突出了SJ80、SJ81拮抗菌的作用優(yōu)勢。
本研究旨在對(duì)比2種農(nóng)藥與2株甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌對(duì)瘡痂鏈霉菌的抑菌效果。甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌與農(nóng)藥相比,具有較好的抑菌效果,且相同濃度下有較低的細(xì)胞毒性。由于農(nóng)藥殘留,人們長期、低劑量地?cái)z入農(nóng)藥,在體內(nèi)積累的農(nóng)藥不僅會(huì)造成慢性損傷,而且有一定的神經(jīng)毒性與肝臟毒性。茍練等[32]發(fā)現(xiàn),低劑量與高劑量農(nóng)藥均可導(dǎo)致PC12細(xì)胞DNA損傷,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡;陳潔等[33]闡述了不同農(nóng)藥導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的不同途徑,具體機(jī)制還需進(jìn)一步探究。我國已經(jīng)意識(shí)到農(nóng)藥與化肥對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞造成的糧食安全問題,在2015年制定了《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》和《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動(dòng)方案》[34],大力推進(jìn)農(nóng)藥減量控害。
生防菌劑一般要具有強(qiáng)穩(wěn)定性,耐高溫性、耐酸堿性、耐紫外照射都是重要指標(biāo)。若作為生防菌劑代替農(nóng)藥施用于田間,耐高溫特性是重要的指標(biāo)。2株拮抗菌發(fā)酵上清液在121 ℃高溫處理30 min仍對(duì)瘡痂鏈霉菌有90%以上的抑菌效果,說明其活性物質(zhì)高溫下不易失活,有很好的耐熱性;2株菌在24 h紫外連續(xù)照射后仍有較強(qiáng)抑菌活性,說明抑菌活性物質(zhì)強(qiáng)光下不易被分解;在pH值呈中性或弱堿性時(shí),2株拮抗菌抑菌活性穩(wěn)定,在強(qiáng)酸性條件下仍有活性,表明其耐酸性較強(qiáng),說明其在農(nóng)田中可能對(duì)土地的酸堿性有很好的適應(yīng)性;抑菌活性物質(zhì)不易被蛋白酶酶解,是較穩(wěn)定的生防菌劑。許多研究發(fā)現(xiàn),芽孢桿菌可以產(chǎn)生多種抑菌活性物質(zhì),其中能夠有效抑制植物病害的代謝產(chǎn)物有環(huán)狀脂肽、聚酮化合物、桿菌素和核糖體合成的抗菌肽等幾類物質(zhì);已經(jīng)鑒定得到的環(huán)狀脂肽類物質(zhì)主要有脂肽(Surfactin)[35]、伊枯草素(iturin)[36]、豐霉素(fengycin)、多粘菌素(polymyxin)[37]、鐮刀菌素(fusaricidin)等,聚酮化合物主要有巨乳素(macrolactin)、地非西丁(difficidin)等,其中脂肽的存在最廣泛[38-39]。Huang等[15]研究發(fā)現(xiàn),一些芽孢桿菌存在脂肽類抗生素的合成基因,可分泌大量抗生素,有廣譜抑菌效果,且發(fā)酵上清液理化性質(zhì)較穩(wěn)定。因此,本文所用的2株甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌可能也是通過產(chǎn)生天然抗菌物質(zhì)來抑制馬鈴薯瘡痂病的病原菌,但具體還需進(jìn)一步深入研究。
甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌針對(duì)馬鈴薯瘡痂病的研究較少,2019年首次報(bào)道了一株甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌對(duì)內(nèi)蒙古馬鈴薯瘡痂病有抑菌效果[40],但未明確其有效成分和抑菌機(jī)制。本研究發(fā)現(xiàn)SJ80與SJ81能有效抑制馬鈴薯瘡痂病,體外急性細(xì)胞毒性比市售農(nóng)藥小,而且具有穩(wěn)定的理化性質(zhì),有用于馬鈴薯瘡痂病生物防治的潛力。為進(jìn)一步探索其抑菌機(jī)理,后續(xù)將對(duì)發(fā)酵上清液粗提物分離純化、活性鑒定等進(jìn)行深入研究,為瘡痂病研究提供新的方向,也為更好地將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。