朱森林等
摘 要 從健康香蕉植株根內(nèi)分離得到1株對香蕉枯萎病病原菌FOC4具有強(qiáng)抗菌活性的內(nèi)生細(xì)菌。通過形態(tài)觀察、生理生化特性測定及分子分析,鑒定該菌為解淀粉芽孢桿菌,編號為BEB33。平板對峙和盆栽苗評價(jià)結(jié)果表明,該菌株對香蕉枯萎病具有較好的生防作用;該菌株發(fā)酵產(chǎn)物的拮抗活性對溫度、pH不敏感;進(jìn)一步研究表明,該菌株能夠產(chǎn)IAA促進(jìn)香蕉植株生長,同時(shí)產(chǎn)生鐵載體,具有較好的生防潛力。
關(guān)鍵詞 內(nèi)生細(xì)菌BEB33;拮抗作用;促生;鐵載體
中圖分類號 Q939.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A
Isolation of Endophytic Bacterial BEB33 and Its Bio-control
Evaluation Against Banana Fusarium Wilt
ZHU Senlin1,2, LIU Xianbao2, CAI Jimiao2, CHEN Yipeng2, HUANG Guixiu2 *
1 Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
2 Environment and Plant Protection Institute, CATAS / Key Laboratory of Integrated Pest Management on Tropical Grops, Ministry
of Agriculture / Hainan Key Laboratoryfor Monitoring and Control of Tropical Agricultural Pests, Haikou, Hainan 571101, China
Abstract An endophytic bacteria of strong antibacterial activity to Fusarium wilt of banana(FOC4)was isolated from healthy banana plant roots. By observation of morphological,physiological and biochemical characteristics and sequences analysis,it was identified as Bacillus amyloliquefaciens,numbered BEB33. The antagonism of BEB33 was evaluated by confront culture and potted seedlings test. The results showed that the strain had biocontrol effects to banana Fusarium wilt. The antagonistic activity of its fermentation product was insensitive to temperature and pH. Further studies showed that the strain could produce IAA to promote banana plant growth and siderophores. All above results indicated that the BEB33 is of good bio-control potential.
Key words Endophytic bacteria BEB33; Antagonistic efficacy; Plant growth promoting bacteria; Siderophore
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.06.024
香蕉(Musa nana Lour.)是世界上最重要的水果之一。2011年,全球香蕉年產(chǎn)量達(dá)10 654.2萬t,進(jìn)出口總量達(dá)3 539.2萬t,貿(mào)易額達(dá)197.6億美元[1],超過柑橘成為世界第一大貿(mào)易水果。然而,香蕉的各種病害制約了其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,而由尖孢鐮刀菌引起的香蕉枯萎病危害最為嚴(yán)重。使用化學(xué)肥料和農(nóng)藥可提高其產(chǎn)量并有效控制其病害,但使用化學(xué)藥劑有污染環(huán)境、破壞生態(tài)平衡、誘導(dǎo)病菌抗性等不利影響。因此,減少化學(xué)肥料和農(nóng)藥的使用,通過改善和調(diào)節(jié)植物體內(nèi)、體表和根際有益微生物的種群和數(shù)量,發(fā)揮微生物對植物的促生和誘抗作用,是現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的方向。植物內(nèi)生菌作為一類對環(huán)境無公害的微生物資源,為提高香蕉產(chǎn)量和病害的生物防治提供了新的微生物來源。
植物內(nèi)生菌包括內(nèi)生細(xì)菌、內(nèi)生真菌、放線菌等,因其能在植物組織內(nèi)長期存活,故對于植物病害具有獨(dú)特的生物防治優(yōu)勢。眾多研究表明,內(nèi)生菌具有促生作用和抗病作用,已發(fā)現(xiàn)的作用機(jī)制包括:合成或促進(jìn)植物合成多種植物生長激素、生物固氮、合成鐵載體、溶磷、產(chǎn)ACC脫氨酶等[2-4];通過產(chǎn)生抗菌物質(zhì)、競爭生態(tài)位、營養(yǎng)及誘導(dǎo)寄主產(chǎn)生系統(tǒng)性抗性等機(jī)制來防治植物病害的發(fā)生[5-6]。近年來,關(guān)于香蕉內(nèi)生菌的研究文獻(xiàn)不斷增多,主要集中在內(nèi)生菌資源的收集、多樣性分析和生物學(xué)作用評價(jià)等方面[7-11]。但對香蕉內(nèi)生菌的促生作用研究較少,特別是很少篩選到既具生防效果又具促生作用的菌株。本文報(bào)道一株既具拮抗香蕉枯萎病菌活性又有促進(jìn)香蕉植株生長的香蕉內(nèi)生細(xì)菌菌株的分離、鑒定及其相關(guān)的生防促生生物學(xué)特性。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 植物材料 巴西蕉,采自海南省臨高市黃銅鎮(zhèn)香蕉種植園。
1.1.2 病原菌菌株 香蕉枯萎病病菌尖孢鐮刀菌古巴專化型4號生理小種(FOC4)由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所提供。
1.1.3 試劑 NA培養(yǎng)基、LB培養(yǎng)基、PDA培養(yǎng)基和CAS培養(yǎng)基的配方均參照《植病研究方法》[12]。Taq酶和dNTPs購于天根生化科技(北京)有限公司,PCR產(chǎn)物回收試劑盒、pMD18-T克隆載體和感受態(tài)細(xì)胞均購于寶生物工程(大連)有限公司。16S rDNA及recA基因部分序列擴(kuò)增引物由華大基因科技有限公司合成,16S rDNA引物序列為:27f:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′和1492r:5′-TACGGCTACCTTGTTACGAGT T-3′。recA基因引物序列為:recAf:5′-TGAGTGATCGTCAGGCAG
CCTTAG-3′和recAr:5′-TTCTTCATAAGAATACCA
CGAACCGC-3′。
1.2 方法
1.2.1 內(nèi)生細(xì)菌的分離、純化、篩選 采集香蕉枯萎病發(fā)病區(qū)健康香蕉植株的根,參照付業(yè)勤[13]的方法分離其內(nèi)生菌。采用研磨法分離篩選對香蕉枯萎病菌具有拮抗活性的內(nèi)生細(xì)菌。
1.2.2 內(nèi)生細(xì)菌菌種鑒定 參照《常見細(xì)菌鑒定手冊》[14]和《微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊》[15]進(jìn)行菌落形態(tài)觀察、生理生化特征測定。16S rDNA及recA基因的部分序列分析:參照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行DNA提取,參照戴英葵[17]方法進(jìn)行16S rDNA序列擴(kuò)增,參照Alvarez[18]方法進(jìn)行recA基因的序列擴(kuò)增。PCR產(chǎn)物經(jīng)連接轉(zhuǎn)化后,各挑選3個(gè)克隆子送華大基因生物公司進(jìn)行測序確定其序列。通過 BLAST 程序與 GenBank 中核酸數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析,并篩選近源物種的序列用于系統(tǒng)發(fā)育分析。
1.2.3 內(nèi)生性測定 通過誘導(dǎo)抗性的方法獲得抗鏈霉素標(biāo)記的菌株,將抗性標(biāo)記菌株接種香蕉苗后第 3天和第5天,參照陳博等[19]的方法進(jìn)行回收測定并計(jì)算回收菌落數(shù)。
1.2.4 菌株的生防特性及發(fā)酵液活性粗提物的穩(wěn)定性測定
(1)菌株BEB33對香蕉盆栽苗的防治效果評價(jià):挑取菌株單菌落于LB液體培養(yǎng)基中。28 ℃,180 r/min振蕩培養(yǎng)36 h后。將細(xì)菌懸浮液濃度調(diào)至1×106 cfu/mL。FOC4在PDA液體培養(yǎng)基上28 ℃,180 r/min振蕩培養(yǎng)7 d。用無菌紗布過濾除去菌絲。將孢子懸浮液的濃度調(diào)至1×107個(gè)/mL。挑取株高為25 cm、健康、基因型一致的香蕉組培苗種植于裝有已消毒土壤的花盆中。采用灌根法接種,每株澆灌100 mL BEB33,以接培養(yǎng)基對照。每處理30株。7 d后,每株澆灌100 mL的FOC4。90 d后調(diào)查植株發(fā)病情況,參照病情指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算不同處理的病情指數(shù)和防效[12,19]。
(2)菌株BEB33平板對峙活性測定:平板對峙實(shí)驗(yàn)參考陳博[19]的實(shí)驗(yàn)方法。以不接內(nèi)生細(xì)菌分離物平板作為對照,設(shè)3個(gè)重復(fù)。抑制率/%=(對照菌落直徑-處理菌落直徑)/對照菌落直徑×100。
(3)菌株BEB33蛋白酶活性測定:將供試菌株接種于脫脂牛奶培養(yǎng)基平板上,37 ℃培養(yǎng)24 h后觀察菌落周圍是否產(chǎn)生的透明圈,設(shè)3個(gè)重復(fù)。
(4)參照代森[20]的方法進(jìn)行粗提液的制備:①熱穩(wěn)定性測定:將粗提液分別經(jīng)-20、0、20、40、60、80、100 ℃處理1 h,120 ℃高壓滅菌處理20 min,采用濾紙片對峙法進(jìn)行拮抗活性檢測[21]。3 d后測定其抑制圈直徑,3次重復(fù)。②pH穩(wěn)定性測定:配置pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0的20%乙睛溶液。將20%乙睛溶液溶解的粗提物吸取100 μL于1.5 mL PE管中,采用冷凍干燥法將其抽干。用100 μL不同pH的20%乙睛溶液溶解粗提物。以未處理粗提物溶液作為對照,測定方法同上。定義未處理粗提物溶液對照組的抑菌活性定為100%。
1.2.5 菌株促生特性分析 菌株對香蕉盆栽苗的促生作用評價(jià):選取基因型相同、健康、株高一致的香蕉袋裝苗種植于口徑為22 cm盆中,待香蕉苗穩(wěn)定生長后,將BEB33的菌懸浮液濃度調(diào)至1×106 cfu/mL。采用灌根法接種香蕉苗,每株接種量為100 mL,以只接培養(yǎng)基作為空白對照,每處理30株,30 d與60 d后記錄株高、干重、鮮重。
菌株對香蕉盆栽苗的促生特性分析:參照王亞藝[22]、李倍金[23]、Glickmann[24]的方法進(jìn)行溶磷能力、固氮活性、產(chǎn)吲哚乙酸(IAA)特性測定。
參照Schwyn和Neilands[25]的方法,用CAS比色法測定鐵載體含量。
2 結(jié)果與分析
2.1 內(nèi)生細(xì)菌的分離及拮抗性菌株的篩選
培養(yǎng)3 d后,平板表面逐漸形成顏色、大小和形狀等均不相同的菌落,而對照處理的NA平板上,無菌落生成,表明表面消毒徹底。挑取不同類型的菌落,劃線純化后共分離得到內(nèi)生細(xì)菌49份。通過與FOC4小種的對峙培養(yǎng),篩選到1株對FOC4生理小種有較好拮抗作用的內(nèi)生細(xì)菌,編號為BEB33(圖1)。
2.2 菌株BEB33的鑒定
2.2.1 菌落形態(tài)和生理生化特征 BEB33革蘭氏染色呈陽性,長桿狀,產(chǎn)芽孢,有莢膜,稀疏周生鞭毛。該菌株在LB平板上生長良好,單菌落呈圓形,邊緣不整齊,有隆起,表面褶皺,不透明,表面干燥,菌落呈淺黃色;LB液體培養(yǎng)靜止時(shí)有菌膜形成。其生理生化特征見表1。
2.2.2 分子鑒定 利用細(xì)菌16S rDNA通用引物對BEB33基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,獲得大小為1.5 kb左右的片段,克隆測序后確認(rèn)其長度為1 517 nt,GenBank登錄號為(KJ009336)。將該序列與GenBank相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行BLAST 分析,用Neighbor-Joining 構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2),結(jié)果顯示,系統(tǒng)發(fā)育樹上與菌株BEB33同源性較高的均為類芽孢桿菌屬,與菌株Bacillus amyloliquefaciens IT45的同源性達(dá)到99.87%,與菌株Bacillus polyfer的同源性為 99.74%,與菌株B. subtilis 168的同源性為99.47%。為了進(jìn)一步確定BEB33分類地位,對BEB33的recA基因片段進(jìn)行擴(kuò)增測序,結(jié)果顯示其長度為872 nt,GenBank 登錄號為(KJ009337),與GenBank相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行BLAST相似性分析,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)。結(jié)果顯示,BEB33與Bacillus amyloliquefaciens同源性達(dá)99%,與B. subtilis同源性為86%;與B.atrophaeus同源性為85%。
綜合其菌落形態(tài)、生理生化、16S rDNA和recA基因的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將BEB33鑒定為解淀粉芽孢桿菌。
2.3 BEB33內(nèi)生性測定
獲得抗硫酸鏈霉素的BEB33抗性突變菌株,測定其對FOC4的拮抗活性,結(jié)果表明:拮抗活性不變。將該突變菌株接種于香蕉組培苗,3 d與5 d后取接種香蕉苗葉片和根組織進(jìn)行內(nèi)生細(xì)菌的分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,3 d后該菌株能夠在根部定殖,5 d后該菌株能夠在香蕉植株根部和葉片定殖。
2.4 BEB33菌株的生防特性
人工接種90 d后,香蕉盆栽苗抗性評價(jià)結(jié)果顯示,處理組發(fā)病率與病情指數(shù)都比對照組明顯降低,處理組的平均發(fā)病率和病情指數(shù)分別為40.00%、14.76%,對照組的平均發(fā)病率和病情指數(shù)分別為86.67%、55.71%;其防效為73.51%。平板對峙培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,培養(yǎng)5 d抑制率達(dá)到53.7%;產(chǎn)蛋白酶活性測的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),該菌株能夠在脫脂牛奶平板上產(chǎn)生透明圈,即具有蛋白酶活性。
菌株BEB33發(fā)酵液經(jīng)過酸沉淀獲得活性物質(zhì)粗提物,活性物質(zhì)穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果見表2和表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該菌株活性物質(zhì)對溫度不敏感,各溫度處理間差異不顯著;活性物質(zhì)對pH2~11不敏感,處理間差異也不顯著,但pH為12時(shí),該活性物質(zhì)活性有所下降,為對照組的93.41%。
2.5 BEB33菌株促生特性
通過盆栽實(shí)驗(yàn)對香蕉促生作用評價(jià),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)菌株BEB33處理的香蕉苗株高、鮮重和長勢都顯著高于對照(圖4)。促生特性分析結(jié)果表明,菌株BEB33在溶磷檢測平板上不能產(chǎn)生溶磷圈,說明該菌株不具備溶磷能力;固氮性檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),該菌株能在Ashby培養(yǎng)基平板上穩(wěn)定生長,但不能在Nfb培養(yǎng)基平板上正常生長,說明該菌株不具備固氮活性;菌株BEB33經(jīng)液體發(fā)酵培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生植物激素IAA,培養(yǎng)7 d后產(chǎn)量達(dá)到24.47 mg/L。
該菌株能在CAS鐵載體檢測平板上產(chǎn)生透明黃色的圈,說明具有產(chǎn)生鐵載體能力(圖5)。參考張科立[26]方法,測定其OD600值為630。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BEB33屬于高產(chǎn)鐵載體菌株。
3 討論與結(jié)論
芽孢桿菌屬包含許多親緣關(guān)系較近的種[27]。其中,B. subtilis和B. amyloliquefaciens 2個(gè)種表型非常相似,鑒定時(shí)很容易被混淆,要借助分子手段才能將2種菌有效地區(qū)分開[28]。在細(xì)菌鑒定和系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建中,16S rDNA序列分析是最常用的方法,但B. amyloliquefaciens和B. subtilis之間序列的高度相似性已經(jīng)限制了其結(jié)果有效性,目前利用編碼蛋白基因作為系統(tǒng)發(fā)育標(biāo)記已成為常用的方法[27,29]。recA基因是編碼DNA修復(fù)和重組蛋白的基因,Arguelles[30]和Alvarez等[31]利用該基因序列和16S rDNA序列準(zhǔn)確鑒定了B. amyloliquefaciens的不同菌株;本研究對內(nèi)生細(xì)菌BEB33的16S rDNA序列和recA基因序列進(jìn)行分析,并構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹。在以16S rDNA序列為基礎(chǔ)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹中,BEB33與B. amyloliquefacien聚在同一分支,但與其它種的遺傳距離也比較近,相似性最高達(dá)99.47%;而在利用recA基因序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹中,BEB33與B. amyloliquefacien不僅聚類在同一分支,而且該菌株與其它種的遺傳距離較遠(yuǎn),相似性最高的只有86%。這些確保了BEB33鑒定的準(zhǔn)確性。
據(jù)報(bào)道,Bacillus amyloliquefaciens可以通過產(chǎn)生揮發(fā)氣體化合物、鐵載體和IAA等促進(jìn)宿主植物生長,通過非核糖體途徑合成iturin、surfactin和fengycin等多肽抑制病原真菌生長,有效防治病害發(fā)生[30-32]。 Chen等[33]對具有促生作用的植物共生細(xì)菌Bacillus amyloliquefaciens FZB42進(jìn)行了全基因組測序,分析了與聚酮類化合物(polyketide,PK)、非核糖體多肽(nonribosomal peptide,NRP)及IAA代謝相關(guān)的基因。Vitullo等[34]研究發(fā)現(xiàn)Bacillus amyloliquefaciens BO7能夠有效防治由Fusarium oxysporum f. sp. Lycopersici引起的番茄根部病害的發(fā)生,并明確BO7與病原菌和宿主植物之間的相互作用機(jī)制。本研究定性和定量檢測發(fā)現(xiàn),篩選獲得的香蕉內(nèi)生細(xì)菌Bacillus amyloliquefaciens BEB33屬高產(chǎn)鐵載體和IAA菌株,對香蕉植株有一定的促生作用;在平板對峙和盆栽實(shí)驗(yàn)中,BEB33對Fusarium oxysporum f.sp cuben及其引起的香蕉枯萎病都有很好的抑菌和生防效果。該菌株在菌肥和生物農(nóng)藥方面具有很好的開發(fā)潛力,但具體促生和生防機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
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