吳兆圓,任夢(mèng)瑤,張志剛,劉 芳,張亞妮,方 偉
(1.湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心,武漢 430064;2.武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,武漢 430081)
利用微生物及其代謝產(chǎn)物來(lái)開(kāi)發(fā)新型除草劑是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一,而從罹病的雜草植株上分離強(qiáng)致病性的病原菌則是發(fā)掘微生物(源)除草劑的主要手段[1]。其中利用最多的是植物病原真菌,有超過(guò)40個(gè)屬的真菌已經(jīng)或者正在被考慮開(kāi)發(fā)成生物除草劑[2]。馬唐(Digitaria sanguinalis)是禾本科單子葉植物,是一種秋熟作物農(nóng)田中的雜草,在熱帶和溫帶地區(qū)的36個(gè)國(guó)家均有分布,對(duì)30多種農(nóng)作物的生產(chǎn)有嚴(yán)重危害[3]。國(guó)外有報(bào)道利用彎孢屬病原真菌Curvularia intermedia[4]及馬唐黑粉菌(Ustilago synthersmae)[5]作為馬唐生防菌劑。在國(guó)內(nèi),海南大學(xué)利用新月彎孢菌(Curvularia lunata)[6],南京農(nóng)業(yè)大學(xué)利用畫(huà)眉彎孢菌(Curvularia eragrostidis)[7],浙江師范大學(xué)利用從馬唐罹病葉片上分離得到的炭疽菌Colletotrichum hanaui[8]進(jìn)行 了對(duì) 馬 唐的 防 治研究,均取得一定效果。盡管已報(bào)道的對(duì)馬唐有致病性的菌株有很多,但是真正商品化的防除馬唐的微生物制劑種類(lèi)相對(duì)較少。因此,繼續(xù)篩選馬唐生防菌株能夠?yàn)檠邪l(fā)新型、高效的生物除草劑提供微生物品種資源,具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心課題組從罹病的馬唐植株上分離得到1株病原真菌NBERC_H56,經(jīng)鑒定為鏈格孢屬真菌Alternaria perpunctulata,并發(fā)現(xiàn)其發(fā)酵液對(duì)馬唐幼苗的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用,盆栽噴霧14 d試驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)馬唐鮮重的抑制率為75.6%。為明確菌株NBERC_H56的除草活性物質(zhì)基礎(chǔ),對(duì)菌株進(jìn)行了大量發(fā)酵、提取以及分離純化,并經(jīng)LC-MS和NMR鑒定,現(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道如下。
Bruker AVANCE(500 MHz)核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo),δ為mg/L,J為Hz)(德國(guó)Bruker BioSpin公司);Bruker APEX DUO單晶衍射儀(銅靶衍射)(德國(guó)Bruker BioSpin公司);Waters 2695液質(zhì)聯(lián)用儀(美國(guó)Waters公司);Waters 2767高效液相制備儀(Waters 2525泵,帶2767自動(dòng)收集系統(tǒng),2996二級(jí)管陣列檢測(cè)器,色譜工作站Masslynx V4.0);美國(guó)Sunfire C18 OBD制備柱(5μm,19 mm×250 mm/10 mm×250 mm,愛(ài)爾蘭);100~200目柱色譜填料柱層析硅膠(青島海洋化工廠)。分離提取試劑乙酸乙酯為中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)有限公司生產(chǎn),HPLC制備用乙腈為湖北弗頓科學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)。
菌株分離自湖北省武漢市郊區(qū)烏龍泉馬唐罹病植株(2020年6月采樣),現(xiàn)菌種保存在湖北生物農(nóng)藥工程研究中心,編號(hào)NBERC_H56。
將馬唐罹病植株用乙醇浸泡15 s,無(wú)菌水漂洗3次,用滅菌濾紙吸干殘留水分后剪碎,置于研缽中搗碎,隨后加入5 mL無(wú)菌水,取0.1 mL混合液于裝有PDA培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中涂勻,28℃恒溫保濕培養(yǎng),每天觀察菌種生長(zhǎng)情況,待菌體長(zhǎng)出后,挑選菌株邊緣菌絲進(jìn)行培養(yǎng),如此反復(fù)至得到純凈的菌體。
NBERC_H56發(fā)酵培養(yǎng)基:麥芽糖6.25 g/L,麥芽提取物6.25 g/L,酵母提取物1.0 g/L,蛋白胨0.625 g/L,磷酸二氫鉀1.25 g/L,硫酸鎂0.625 g/L,pH調(diào)至7.0。
將NBERC_H56菌株接種于已滅菌的裝有100 mL上述培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中,加入0.3%瓊脂,于28℃靜置培養(yǎng)7 d。
選取營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)相同、4葉期馬唐,取適量菌株發(fā)酵液采用噴霧法對(duì)馬唐幼苗進(jìn)行噴灑(90 mL/m2),以含0.1%吐溫-80的無(wú)菌水作為空白對(duì)照,每次試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù),每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次,28℃,光照強(qiáng)度8 000 lx。14 d后對(duì)株高、根長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量,對(duì)鮮重進(jìn)行稱(chēng)量,計(jì)算抑制率。抑制率=[(對(duì)照平均株高或根長(zhǎng)或鮮重-處理平均株高或根長(zhǎng)或鮮重)/對(duì)照平均株高或根長(zhǎng)或鮮重]×100%。
按照上述培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件發(fā)酵100瓶(10 L),發(fā)酵完成后合并發(fā)酵液,加入10 L的乙酸乙酯攪拌提取3次,提取液過(guò)濾后真空濃縮得到提取物1.45 g。提取物用少量甲醇溶解,經(jīng)硅膠柱色譜進(jìn)行柱層析,用石油醚/乙酸乙酯進(jìn)行梯度洗脫,洗脫組分通過(guò)HPLC檢測(cè)合并為6段(Fr.1至Fr.6)。主要組分Fr.4(1.06 g)經(jīng)制備色譜柱(Sunfire C18 OBD制備柱,5μm,19 mm×250 mm,24 mL/min)進(jìn)行分離,洗脫梯度為5%~100%乙腈,洗脫40 min。
如表1、圖1所示,菌株NBERC_H56發(fā)酵液(簡(jiǎn)稱(chēng)H56發(fā)酵液)盆栽噴霧14 d對(duì)馬唐幼苗的株高、根長(zhǎng)及鮮重有明顯的抑制作用,抑制率分別為55.6%、45.1%和75.6%。
表1 菌株NBERC_H56發(fā)酵液對(duì)馬唐的株高、根長(zhǎng)以及鮮重的抑制率
圖1 菌株NBERC_H56發(fā)酵液對(duì)馬唐的生長(zhǎng)抑制作用
洗脫組分通過(guò)HPLC檢測(cè)、分離、純化,得到化合物1(7.89 mg)、化合物2(8.86 mg)和化合物3(6.50 mg),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 菌株NBERC_H56產(chǎn)生的化合物結(jié)構(gòu)
化合物1:淡黃色粉末,分子式為C12H14O5,分子量 為238.2;1H NMR(C2D6SO,500 MHz)δ:6.31(1H,d,J=2.1 Hz,H-6′),6.15(1H,d,J=2.1 Hz,H-4′),4.04(2H,dd,J=14.2,7.1 Hz,H2-1″),3.47(2H,s,H2-2),2.40(3H,s,H3-8′),1.18(3H,t,J=7.1 Hz,H3-2″);13C NMR(C2D6SO,125 MHz)δ:202.6(s,C-7′),171.4(s,C-1),160.2(s,C-3′),158.8(s,C-5′),136.2(s,C-1′),120.1(s,C-2′),111.1(d,C-6′),102.1(d,C-4′),60.4(t,C-1″),39.53(t,C-2),32.6(q,C-8′),14.6(q,C-2″)。以上核磁數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[9]報(bào)道的Curvulin的核磁數(shù)據(jù)基本一致,確定該化合物為Curvulin。
化合物2:黃色油狀物,分子式為C14H10O5,分子量為258.3;1H NMR(C2D6SO,500 MHz)δ:7.24(1H,d,J=1.8 Hz,H-6),6.72(1H,d,J=2.4 Hz,H-5′),6.64(1H,d,J=2.4 Hz,H-3′),6.36(1H,d,J=1.8 Hz,H-4),2.71(3H,s,H3-7′);13C NMR(C2D6SO,125 MHz)δ:166.4(s,C-4),165.2(s,C-7),165.2(s,C-5),164.6(s,C-3),159.0(s,C-4′),153.1(s,C-2′),138.8(s,C-6′),138.6(s,C-1),118.0(s,C-5′),109.5(s,C-1′),105.0(d,C-6),102.1(d,C-3′),101.5(d,C-4),97.6(s,C-2),25.7(q,C-7′)。以上核磁數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的Alternariol的核磁數(shù)據(jù)基本一致,確定該化合物為Alternariol。
化合物3:淡黃色粉末,分子式為C15H22O4,分子量 為266.3;1H NMR(C2D6SO,500 MHz)δ:6.91(1H,s,H-6),5.45(1H,t,J=6.7 Hz,H-2′),4.57(2H,d,J=3.4 Hz,H2-7),4.54(2H,d,J=6.7 Hz,H2-1′),4.49(2H,s,H2-8),3.65(3H,s H3-9),2.05(3H,s,H3-10),1.76(3H,s,H3-4′),1.72(3H,s,H3-5′);13C NMR(C2D6SO,125 MHz)δ:158.2(s,C-3),157.5(s,C-7),165.2(s,C-5),141.9(s,C-1),137.3(s,C-3′),120.7(s,C-2),120.3(s,C-4),117.0(d,C-3′),106.8(d,C-6),65.1(t,C-1′),63.6(t,C-7),61.9(q,C-9),60.6(t,C-8),26.0(q,C-4′),18.5(q,C-5′),9.6(q,C-10)。以上核磁數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[11]報(bào)道的Zinniol的核磁數(shù)據(jù)基本一致,確定該化合物為Zinniol。
通過(guò)篩選,本課題組從罹病的馬唐植株上分離得到1株鏈格孢屬雜草病原真菌Alternaria perpunct?ulataNBERC_H56,活性測(cè)試結(jié)果表明其發(fā)酵液對(duì)馬唐幼苗的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用,并且從菌株NBERC_H56的次級(jí)代謝產(chǎn)物中得到化合物Curvu?lin(1)、Alternariol(2)和Zinniol(3)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,Curvulin(1)主要由內(nèi)臍蠕孢屬(Drechslera)和彎孢屬病原真菌產(chǎn)生[9],對(duì)馬齒莧(Portulaca oleracea)和刺莧(Amaranthus spino)具有植物毒性[12],而Alter?nariol(2)和Zinniol(3)均為鏈格孢屬真菌產(chǎn)生的植物毒素[11,13],由此可初步推斷化合物1、化合物2和化合物3均為菌株NBERC_H56產(chǎn)生除草活性的物質(zhì)基礎(chǔ)。
本次試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)鏈格孢菌Alternaria perpunct?ulata對(duì)馬唐具有生長(zhǎng)抑制作用,并且首次對(duì)該菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行了研究,分離得到3個(gè)具有除草活性的化合物,初步闡明了活性物質(zhì)基礎(chǔ),下一步可對(duì)菌株NBERC_H56的除草活性進(jìn)行深入研究,為真菌源除草劑的發(fā)現(xiàn)提供良好的研究基礎(chǔ)。