關(guān)鍵詞:貝萊斯芽孢桿菌;蘋果樹腐爛病菌;抗性基因;抑菌活性成分
貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)是革蘭氏陽性菌,廣泛分布于自然界的水體、土壤、空氣、植物根系、植株表面和動(dòng)物腸道等[1-3]。近年來,國(guó)內(nèi)外有關(guān)貝萊斯芽孢桿菌的研究主要集中在其拮抗病原菌、促進(jìn)植物生長(zhǎng)[4,5]、誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性、積累防御酶[6]及其抑菌活性物質(zhì)[7,8]等方面。作為一種新型生防細(xì)菌,貝萊斯芽孢桿菌對(duì)腐爛?。?]、炭疽?。?0]、白粉?。?1]等均能發(fā)揮生物防治作用,其菌株FZB42、83和QST713已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化[12,13]。在植物與病原菌互作過程中,芽孢桿菌能誘導(dǎo)植物與抗病相關(guān)的防衛(wèi)基因的表達(dá),使寄主表現(xiàn)出抗病性。研究發(fā)現(xiàn)植物病程相關(guān)蛋白(PRs)合成基因PR-1、PR-2、PR4等基因調(diào)控PR蛋白表達(dá)的NPR1基因、植物保衛(wèi)素合成基因PDF等,這些基因合成的抗病物質(zhì)可以阻止病原菌的進(jìn)一步侵入以及病害的傳播[14]。例如植物根際促生菌(plantgrowthpromotingrhizobacteria,PGPR)能夠通過提高這些防衛(wèi)基因表達(dá)量誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性,增強(qiáng)植物免疫,是各種PGPR用來保護(hù)植物抵御廣泛的病原體的重要機(jī)制之一[15]。芽孢桿菌除了能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性外,還能通過直接分泌水解酶和次生代謝產(chǎn)物來抑制病原菌[16]。本研究采用的貝萊斯芽孢桿菌SY01菌株,由塔里木大學(xué)綠色防控實(shí)驗(yàn)室從環(huán)塔里木盆地周邊健康的蘋果樹皮組織分離獲得,已被證明具有廣泛的抗真菌活性,其發(fā)酵濾液對(duì)蘋果樹腐爛病菌也具有較強(qiáng)的抑制作用[17],但其對(duì)蘋果樹抗性基因的誘導(dǎo)表達(dá)和主要抑菌活性成分還有待于進(jìn)一步研究。
本研究以貝萊斯芽孢桿菌SY01為試材,采用熒光定量PCR檢測(cè)貝萊斯芽孢桿菌SY01對(duì)蘋果樹關(guān)鍵抗性基因表達(dá)量變化的影響,并對(duì)菌株SY01抗菌脂肽粗提物進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)定;采用脂肽類抑菌成分合成基因的擴(kuò)增比對(duì)和UPLCTripleTOF-MS/MS相結(jié)合,分析菌株SY01的抑菌活性成分,為揭示其誘導(dǎo)蘋果樹抗性基因表達(dá),明確該菌株的脂肽類抑菌物質(zhì)成分提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 供試菌株
貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)SY01和蘋果樹腐爛病菌(Valsamailvar.pyri)SW5均由塔里木大學(xué)綠色防控實(shí)驗(yàn)室提供。
1.2 貝萊斯芽孢桿菌發(fā)酵產(chǎn)物的制備
將活化后的貝萊斯芽孢桿菌SY01挑取單菌落接種于盛有50mLLB液體培養(yǎng)基的三角瓶中,36℃、200rpm培養(yǎng)24h得到種子液。按3%的接種量將種子液接種于優(yōu)化后的發(fā)酵培養(yǎng)基(9.8g/L蔗糖、10g/L黃豆粉、7.3g/LNaCl)為發(fā)酵液。發(fā)酵液經(jīng)離心噴霧干燥后獲得固體發(fā)酵產(chǎn)物,于研缽中研磨至粉末狀備用。
1.3 蘋果枝條抗性相關(guān)基因表達(dá)量的RT-PCR檢測(cè)
為了檢測(cè)貝萊斯芽孢桿菌SY01對(duì)蘋果樹關(guān)鍵抗性基因表達(dá)量的變化,選用MdEF-1a為內(nèi)參基因,采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增植物抗病相關(guān)基因MdPDF1、MdNPR1、MdPR1、MdPR2、MdPR4(引物序列信息見表1),檢測(cè)它們?cè)谔O果枝條中的表達(dá)水平[14]。
選取1-2年生粗細(xì)相近的健康蘋果枝條裁剪至15cm長(zhǎng),置于濃度1%次氯酸鈉中浸泡15min,無菌水沖洗3遍,晾干后石蠟兩端封口。使用5mm打孔器在枝條中間部位打孔進(jìn)行接種試驗(yàn),將枝條水平置于鋪有潤(rùn)濕濾紙的托盤上,每處理重復(fù)5次。試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理,C1:接種在PDA培養(yǎng)基上培養(yǎng)3d的蘋果樹腐爛病菌SW5;C2:接種貝萊斯芽孢桿菌SY01無菌發(fā)酵濾液100μL,30min后重復(fù)接種1次;C3:清水對(duì)照。分別在接種后0h、24h、48h、72h、96h從發(fā)病(接種)部位開始往上2cm采集樣品,液氮速凍,-80℃冰箱保存。
使用多糖多酚植物RNA提取試劑盒提取樹皮總RNA,1.5%的瓊脂糖凝膠檢測(cè)RNA質(zhì)量,合格后使用FastKingcDNA合成試劑盒對(duì)RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,合成第一鏈cDNA。以反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA產(chǎn)物3倍稀釋后作為模板,選MdEF1-α為內(nèi)參基因,按照擴(kuò)增程序?qū)?個(gè)基因的表達(dá)水平進(jìn)行測(cè)定,PCR反應(yīng)體系為:SYBRqPCRMix10μL,PrimerF/R各0.8μL,cDNA1μL,ddH2O7.4μL,總體積為20μL。反應(yīng)程序:95℃預(yù)變性5min;95℃變性15s,60℃退火20s,72℃延伸20s,共40個(gè)循環(huán)。每反應(yīng)3個(gè)重復(fù),由RT-PCR儀生成Ct值及其標(biāo)準(zhǔn)誤。反應(yīng)結(jié)束后分析融解曲線和熒光Ct值的變化曲線,參照相對(duì)定量的2-ΔΔCt法計(jì)算不同處理、時(shí)間點(diǎn)樣品目標(biāo)基因?qū)?nèi)參的相對(duì)表達(dá)量。
1.4 不同有機(jī)溶劑萃取的抗菌脂肽粗提物對(duì)蘋果樹腐爛病菌抑菌作用測(cè)定
采用生長(zhǎng)速率法測(cè)定不同有機(jī)溶劑萃取后的抗菌脂肽粗提物對(duì)蘋果樹腐爛病菌的抑制作用。以甲醇、二氯甲烷和乙酸乙酯為萃取溶劑,稱取30g發(fā)酵產(chǎn)物于250mL錐形瓶中,分別加入250mL不同有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取,置于超聲波清洗機(jī)中超聲5min以加速產(chǎn)物溶解,4℃靜置過夜,4000rpm離心10min,取上清液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將有機(jī)溶劑蒸干,定量0.01MPBS緩沖液(pH=7.2-7.4)溶解,0.22μm濾膜過濾備用,即為菌株SY01抗菌脂肽粗提物[7]。以只接種蘋果樹腐爛病菌菌餅為空白對(duì)照,每處理3次重復(fù),28℃培養(yǎng),待對(duì)照皿內(nèi)腐爛病菌菌絲長(zhǎng)滿后,用十字交叉法測(cè)量處理組菌絲直徑,計(jì)算抑菌率。
1.5 菌株SY01抗菌脂肽粗提物生物學(xué)特性研究
采用生長(zhǎng)速率法測(cè)定不同處理?xiàng)l件下貝萊斯芽孢桿菌抗菌脂肽粗提物的穩(wěn)定性。溫度:將抗菌脂肽粗提物分別置于不同溫度(-20℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃)下水浴加熱30min,待各處理液恢復(fù)至室溫,以未經(jīng)溫度處理的抗菌脂肽粗提物為對(duì)照,無菌水為空白對(duì)照,測(cè)定其抑菌率。自然光和紫外線:將抗菌脂肽粗提物分別置于自然光和紫外燈下,分別照射1h、3h、5h、7h、9h,以未經(jīng)自然光或紫外線燈照射處理的抗菌脂肽粗提物為對(duì)照,無菌水為空白對(duì)照,測(cè)定其抑菌率。酸堿度:將抗菌脂肽粗提物用1mol/LHCl溶液或1mol/LNaOH溶液調(diào)節(jié)pH分別至1、3、5、7、9、11,4℃靜置12h后,緩慢調(diào)回各處理pH至原始數(shù)值pH=7.2,以未處理的抗菌脂肽粗提物為對(duì)照,無菌水為空白對(duì)照,測(cè)定抗菌脂肽粗提物的抑菌率。
1.6 菌株SY01抑菌活性物質(zhì)的初步分析
1.6.1 菌株SY01脂肽類抑菌物質(zhì)合成基因的擴(kuò)增和比對(duì) 取出斜面保藏的菌株SY01,三區(qū)劃線法接種于LB培養(yǎng)基平板上,30℃過夜培養(yǎng),挑取單菌落于LB培養(yǎng)基中,36℃,200rpm振蕩培養(yǎng),取菌液1mL,10000rpm離心5min,棄上清液,用細(xì)菌DNA提取試劑盒提取菌株SY01的DNA,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
使用表2中的10對(duì)引物分別對(duì)貝萊斯芽孢桿菌SY01進(jìn)行PCR擴(kuò)增。反應(yīng)體系(20μL):1μLDNA模板,正反引物各1μL,10μLSYBRPremixExTag,ddH2O7μL。擴(kuò)增條件:95℃5min;95℃10s,60℃30s,72℃20s,共40個(gè)循環(huán);95℃15s,60℃60s,95℃15s。
1.6.2 脂肽類粗提物的初步分析 采用UPLCTripleTOF-MS/MS鑒定甲醇有機(jī)萃取液的成分[18]。分離色譜柱型號(hào)為C18色譜柱。色譜分離條件:柱溫40℃,流速0.3mL·min-1,進(jìn)樣量4μL。質(zhì)譜條件:采用電噴霧離子化(ESI+)源;霧電壓(IS)5kV;噴霧氣(GS1)50psi;輔助加熱氣(GS2)50psi;輔助加熱氣溫度350℃;TOFMS掃描質(zhì)合比范圍:m/z200-400;采集模式:飛行時(shí)間全掃描質(zhì)譜和二級(jí)質(zhì)譜(TOFMSIDAMS-MS)模式;TOFMS觸發(fā)二級(jí)掃描范圍:m/z500-2000;去簇電壓(DP)100V;MS-MS碰撞能量(CE)Rollingcollisionenergy。
1.7 數(shù)據(jù)處理與分析
采用Origin2022制圖,SPSS27.0進(jìn)行差異顯著性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 總RNA檢測(cè)
將提取的總RNA進(jìn)行質(zhì)量與含量的檢測(cè),其RNA濃度均較高,并且A260/280值均在1.8-2.1之間,將濃度、純度合格的RNA使用1.5%瓊脂糖凝膠進(jìn)行檢測(cè),電泳圖結(jié)果顯示28s和18s條帶清晰完整(圖1),可用于后續(xù)試驗(yàn)。
2.2 蘋果抗性相關(guān)基因的熒光定量PCR分析
如圖2所示,5種蘋果樹抗性相關(guān)基因表達(dá)量在貝萊斯芽孢桿菌SY01和蘋果樹腐爛病菌SW5的誘導(dǎo)下,除MdPR1基因外,其余4種抗性基因均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),且SY01的誘導(dǎo)表達(dá)量大于SW5。不同抗性基因誘導(dǎo)表達(dá)的峰值時(shí)間存在差異,MdNPR1、MdPDF1、MdPR2、MdPR4分別在24、72、72和48h達(dá)到峰值,而MdPR1在0-96h呈現(xiàn)持續(xù)上調(diào)的趨勢(shì)。
2.3 抗菌脂肽粗提物對(duì)蘋果樹腐爛病菌的抑制效果
由圖3可知,3種有機(jī)溶劑萃取菌株SY01發(fā)
酵產(chǎn)物后的抗菌脂肽粗提物均對(duì)蘋果樹腐爛病菌具有一定抑菌效果,其中以甲醇為有機(jī)溶劑的抗菌脂肽粗提物抑菌效果最好,抑菌率達(dá)到72.16%,其次為二氯甲烷,二者無顯著性差異,乙酸乙酯的抑制效果最差,與其它處理存在顯著性差異(Plt;0.05)。
2.4 菌株SY01萃取液中抑菌活性物質(zhì)生物學(xué)特性研究
以甲醇為有機(jī)溶劑對(duì)菌株SY01發(fā)酵產(chǎn)物萃取后的抗菌脂肽粗提物進(jìn)行生物學(xué)特性研究(見圖4)。由圖4A可知,菌株SY01抗菌脂肽粗提物最適溫度范圍為20~40℃,當(dāng)溫度在20℃時(shí),抑菌活性最大,隨后呈下降的趨勢(shì),當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí),抑菌率為0%。由圖4B和4C可知,在沒有自然光和紫外線的照射下,菌株SY01抗菌脂肽粗提物抑菌率最大,且隨著自然光和紫外線照射時(shí)間的延長(zhǎng),抑菌活性逐漸減小,當(dāng)照射時(shí)間的延長(zhǎng)至11h時(shí),其抑菌率最小。由圖4D可知,菌株SY01抗菌脂肽粗提物在pH為7時(shí),對(duì)蘋果樹腐爛病菌的抑菌率最高,為70%,其次為pH為5和9,兩者之間無顯著差異(Plt;0.05)。
2.5 菌株SY01脂肽類抑菌活性物質(zhì)鑒定
2.5.1 菌株SY01脂肽類抑菌活性物質(zhì)合成基因的擴(kuò)增和比對(duì) 菌株SY01脂肽類抑菌活性物質(zhì)合成基因的擴(kuò)增和比對(duì)結(jié)果顯示(表3),在其基因組中能檢測(cè)到ItuA、ItuB、ItuC、ItuD、SrfA、SrfAB、FenD、yndJ、ysnE這9種與抑菌活性物質(zhì)合成相關(guān)的基因,由此初步推斷出菌株SY01可通過產(chǎn)生Iturin、Surfactin、Fengycin等抗菌次級(jí)代謝產(chǎn)物抑制菌株SW5的生長(zhǎng)。
2.5.2 菌株SY01脂肽類抑菌活性物質(zhì)分析 將菌株SY01發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)甲醇萃取后的有機(jī)萃取液進(jìn)行MALDI-TOF-MS測(cè)定[19],對(duì)其結(jié)果初步分析(表4),發(fā)現(xiàn)質(zhì)譜峰[M+H+]質(zhì)荷比為1029.1963、1043.2271、1057.2953、1071.3290、1085.1463,分子量相差14Da,即一個(gè)亞甲基CH2的同系物系列,推測(cè)為IturinA(C13-C17);質(zhì)譜峰[M+H+]質(zhì)荷比為1030.1928、1044.2222、1058.2528、1072.3083、1086.3240,推測(cè)為IturinB(C13-C17);質(zhì)譜峰[M+H+]質(zhì)荷比為1043.2271、1057.2953、1071.3290、1085.1463,推測(cè)為Mycosubtilin(C14-C17);質(zhì)譜峰[M+H+]質(zhì)荷比為1031.1937、1045.2054、1059.2909、1073.3088,推測(cè)為BacillomycinD(C14-C17);質(zhì)譜峰[M+H+]質(zhì)荷比為1057.2953、1071.3290、1085.1463,推測(cè)為BacillomycinF(C14-C17);質(zhì)譜峰[M+Na+]質(zhì)荷比為1043.2271、1057.2953、1071.3290、1085.1463,推測(cè)為BacillomycinL(C14-C17);質(zhì)譜峰[M+Na+]質(zhì)荷比為1030.1928、1044.2058、1058.2928、1072.3083,推測(cè)為SurfactinA(C13-C16)或SurfactinB(C14-C16)或SurfactinC(C13-C16);質(zhì)譜峰[M+Na+]質(zhì)荷比為1457.4104,推測(cè)為C14FengycinA;[M+H+]質(zhì)荷比為1449.3798,推測(cè)為C15FengycinA,[M+H+]質(zhì)荷比為1519.4116,推測(cè)為C18FengycinB。通過離子響應(yīng)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),抑菌活性物質(zhì)中的Fengycin含量較少,Iturin和Surfactin含量相對(duì)較多。
3 討論
研究顯示芽孢桿菌可以通過提高植物的防御酶活性,誘導(dǎo)病程相關(guān)蛋白(PR蛋白)的產(chǎn)生,造成細(xì)胞程序性死亡、胼胝質(zhì)沉積、活性氧爆發(fā)等機(jī)制來保護(hù)植物免受病原菌的侵害[20]。MdPR1參與調(diào)控水楊酸(SA)和乙烯(ET)信號(hào)通路,MdPR2和MdPR4具有β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶活性;MdPDF1和MdPDF2參與合成植物保衛(wèi)素,進(jìn)行自身防御反應(yīng);MdNPR1基因參與調(diào)控PR蛋白表達(dá),這些基因合成的抗病物質(zhì)可以阻止病原菌的進(jìn)一步侵入以及病害的傳播[14]。本研究采用熒光定量PCR驗(yàn)證貝萊斯芽孢桿菌SY01和蘋果樹腐爛病菌SW5對(duì)蘋果樹抗性相關(guān)基因誘導(dǎo)的可持續(xù)性,結(jié)果表明與接種SW5的枝條相比,經(jīng)菌株SY01處理后,MdPDF1、MdNPR1、MdPR1、MdPR2、MdPR4這5個(gè)基因的表達(dá)顯著上調(diào)。蘋果樹腐爛病菌雖然能夠在入侵初期誘導(dǎo)寄主抗性相關(guān)基因的表達(dá),但隨其持續(xù)的侵染,寄主抗性相關(guān)基因被抑制表達(dá),而貝萊斯芽孢桿菌SY01可以持續(xù)誘導(dǎo)抗性相關(guān)基因的表達(dá)來抵抗病原微生物的侵襲。陳作[21]等的研究結(jié)果顯示經(jīng)貝萊斯芽孢桿菌ZW10-af處理后,OsPR1a、OsLYP6、OsPR5等參與水楊酸通路相關(guān)防御基因表達(dá)量上調(diào),有助于增強(qiáng)宿主對(duì)病原菌的抗性。
生防菌具有良好的穩(wěn)定性是其開發(fā)為生物制劑并被推廣使用的必備條件之一[22]。采用生長(zhǎng)速率法對(duì)菌株SY01抗菌脂肽粗提物進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)定,結(jié)果表明以甲醇為有機(jī)溶劑萃取的抗菌脂肽粗提物在-20℃到60℃范圍內(nèi)有較好熱穩(wěn)定性,以及自然光和紫外線穩(wěn)定性;適宜pH值為5-9,當(dāng)pH為強(qiáng)酸強(qiáng)堿時(shí),活性物質(zhì)抑菌率顯著下降。婁向弟[23]等通過抑菌試驗(yàn)對(duì)貝萊斯芽孢桿菌PJP10的抑菌物質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定,發(fā)現(xiàn)菌株在85℃以內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性,趙欣[24]等的研究結(jié)果表明解淀粉芽孢桿菌HRH317對(duì)自然光和紫外線不敏感;趙雅[25]等發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌HN-Q-8不耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿,最適pH為4.0-10.0。
貝萊斯芽孢桿菌主要通過合成次級(jí)代謝產(chǎn)物包括細(xì)菌素、抑菌蛋白、脂肽類物質(zhì)和聚酮化合物等實(shí)現(xiàn)對(duì)病原菌的抑制作用[26]。近年來,隨著對(duì)芽孢桿菌脂肽合成基因的深入研究,設(shè)計(jì)出了多對(duì)特異引物以通過PCR方法檢測(cè)菌株是否具有合成脂肽的基因[27]。不同芽孢桿菌產(chǎn)生的抑菌活性物質(zhì)有所不同,為明確其主要抑菌活性成分,更好的利用菌株SY01發(fā)酵液中產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物,通過UPLC-TripleTOF-MS/MS在甲醇萃取有機(jī)相中檢測(cè)到多種抑菌活性物質(zhì),其中豐度最高的是伊枯草菌素和表面活性素。合成基因的擴(kuò)增和比對(duì)與UPLC-TripleTOF-MS/MS推測(cè)結(jié)果一致,均表明菌株SY01可通過產(chǎn)生伊枯草菌素、表面活性素、豐原素等抗菌次級(jí)代謝產(chǎn)物抑制菌株SW5的生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)菌株SY01基因組進(jìn)行預(yù)測(cè),菌株中含有表面活性素(surfactin)、大環(huán)內(nèi)酯(macrolactin)、桿菌烯(bacillaene)、豐原素(fengycin)、地非西丁(difficidin)、桿菌巴塞素(bacillibactin)、溶桿菌素(bacilysin)、丁苷菌素(butirosin)、萜類(terpenes)和羊毛硫肽類化合物(lantipeptide)等次級(jí)代謝產(chǎn)物[17]。申云鑫[28]等發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌SH-1471具有srfA、fenB、ituA、ituD、bymA等抗生素合成基因;張曉云[29]通過UPLC-TripleTOF-MS/MS證明貝萊斯芽孢桿菌HMB28521菌株可以產(chǎn)生伊枯草菌素(iturin)、豐產(chǎn)素(fengycin)和表面活性素(surfactin),抑菌試驗(yàn)證明iturin和fengycin是該菌株產(chǎn)生的主要抑菌活性物質(zhì),二者能夠顯著抑制多主棒孢霉的生長(zhǎng),并且造成菌絲畸形。
4 結(jié)論
本研究對(duì)貝萊斯芽孢桿菌SY01誘導(dǎo)寄主抗性機(jī)理和抑菌活性物質(zhì)進(jìn)行初步分析,結(jié)果表明蘋果樹腐爛病菌SW5雖然能夠在入侵初期誘導(dǎo)寄主抗性基因的表達(dá),但隨著其持續(xù)的侵染,寄主抗性基因被抑制表達(dá),而貝萊斯芽孢桿菌SY01可以持續(xù)誘導(dǎo)蘋果樹抗性相關(guān)基因的表達(dá);抑菌活性物質(zhì)的最佳萃取溶劑為甲醇;以甲醇為有機(jī)溶劑萃取的抗菌脂肽粗提物在-20℃到60℃范圍內(nèi)有較好熱穩(wěn)定性,以及自然光和紫外線穩(wěn)定性;適宜pH值為5-9,不耐強(qiáng)酸和強(qiáng)堿;脂肽類抑菌物質(zhì)合成基因的擴(kuò)增和比對(duì)與UPLC-TripleTOF-MS/MS的推測(cè)結(jié)果一致,均表明菌株SY01可通過產(chǎn)生Iturin、Surfactin、Fengycin等抗菌次級(jí)代謝產(chǎn)物抑制蘋果樹腐爛病菌SW5的生長(zhǎng),為揭示其誘導(dǎo)蘋果樹抗性基因表達(dá)、明確該菌株脂肽類抑菌物質(zhì)成分提供了理論依據(jù)。