0 引 言
根结线虫(
Meloidogyne spp
.)是一类危害严重的土传植物寄生线虫,对世界各地经济造成重大损失
[1],主要包括南方根结线虫(
M. incognita)、北方根结线虫(
M. hapla)、爪哇根结线虫(
M. javanica)和花生根结线虫(
M. arenria)。其中南方根结线虫危害经济作物最严重,其危害面积大,寄主范围广,一般可使作物减产15%~75%,严重时甚至绝收
[2~4]。
目前,根结线虫病的防治依然以化学杀线虫剂为主,但化学杀虫剂严重危害人、畜生命安全,破坏土壤生态环境,导致其不断受到限制或禁用
[5,6]。随着人们环保意识的加强,绿色环保、安全高效的防治病虫害的方法逐渐走向大众的视野。生物防治对环境友好,且通常对人畜无害,为南方根结线虫的可持续防治提供了有效策略
[7]。近年来,使用微生物进行根结线虫防治的研究较多,利用真菌、细菌、放线菌等微生物开发微生物制剂,从而达到防治线虫和消除化学药剂对人类及环境危害的双重作用。然而,尽管许多驱虫药、杀线虫药物已成功地从陆地微生物中提取出来,但从陆地上发现新的杀线虫微生物资源越来越少,人们把目光投向资源丰富的海洋微生物,尤其是深海微生物,具有大多陆地微生物所没有的杀线虫特性,因此从深海中发掘新型防治线虫微生物显得尤为重要
[8~10]。
海洋具有独特的生态环境,如高盐、高压、低温、少光、高pH值、寡营养等
[11],这些独特的环境条件使海洋微生物会代谢一些不同的有机分子来获取极其有限的资源,而这些小分子化合物为开发海洋生物活性物质提供了丰富的资源
[12]。具有抗炎、抗病原菌、抗病毒、抗癌、抗氧化、抗疟疾等一系列生物活性的海洋微生物代谢产物被逐渐开发
[13~18]。本实验室前期从深海微生物中筛选到一株独岛枝芽胞杆菌(
Virgibacillus dokdonensis) MCCC 1A00493,对南方根结线虫具有高效触杀和熏杀线虫活性
[19]。因此,从深海微生物中筛选新型菌株,利用微生物菌剂或者提取的抗病虫害活性物质进行农业生物防治,不仅符合现代农业可持续发展理念,也是当前植物保护方向生物防治研究的重点与热点。
本研究从中国海洋微生物菌种保藏管理中心(MCCC)保藏的203株深海芽胞杆菌中,以模式线虫——秀丽隐杆线虫(C. elegans)和植物病原线虫南方根结线虫(M. incongnita)为实验对象分别对其杀线虫活性进行初筛和复筛,获得14株对南方根结线虫具有良好触杀活性的深海芽胞杆菌,同时发现其中阿耶波多氏芽胞杆菌MCCC 1K02966、海泥芽胞杆菌MCCC 1A14063、坚强芽胞杆菌MCCC 1A00263对南方根结线虫具有触杀和熏杀双重杀线虫活性,具有开发应用潜力,为植物根结线虫病的防治提供了宝贵的海洋微生物资源。
1 材料与方法
1.1 供试线虫与菌株
供试线虫:秀丽隐杆线虫野生型N2由华中农业大学农业微生物学国家重点实验室提供,南方根结线虫由南京农业大学李红梅教授提供。
供试菌株:本实验所用深海芽胞杆菌均由自然资源部第三海洋研究所中国海洋微生物菌种保藏管理中心(MCCC)提供。
1.2 培养基及试剂
NGM培养基(1 L):NaCl 3 g,蛋白胨2.5 g,琼脂粉17 g,1 mol/L K2HPO4⁃KH2PO4缓冲液(pH 6.0)25 mL,121 ℃高压灭菌20 min 后分别加入过滤除菌的胆固醇(5 mg/mL)1 mL,1 mol/L MgSO4 1 mL,1 mol/L CaCl2 1 mL。
2216e培养基(1 L):蛋白胨10 g,酵母粉5 g,牛肉浸粉1 g,乙酸钠1 g,硝酸铵0.2 g,柠檬酸钠0.5 g,柠檬酸铁0.1 g,氯化钠19.45 g、氯化镁0.75 g、硫酸镁0.75 g、氯化钙1 g、氯化钾0.55 g、碳酸氢钠0.16 g、溴化钾0.08 g、氯化锶34 mg、硼酸22 mg、硅酸钠4 mg、氟化钠2.4 mg、磷酸氢二钠8 mg、氯化锰0.5 mg、硫酸铜0.5mg、硫酸锌10 mg,纯水定容至1 L,终pH为(7.6±0.2)。
30 mg/mL氯霉素溶液:氯霉素30 mg、无水乙醇1 mL,溶解后过滤除菌,分装,-20 ℃保存。
1.3 线虫的培养
1.3.1 秀丽隐杆线虫的培养
将-80 ℃保存的大肠杆菌OP50转接到LB固体平板上进行活化,37 ℃过夜培养;挑取单菌落到LB液体培养基中,37 ℃培养8 h;向NGM平板中心位置滴加30 μL的OP50菌液,并用涂布棒涂布均匀;涂布有OP50的NGM平板中央放置含秀丽隐杆线虫的NGM琼脂块,20 ℃培养。
1.3.2 南方根结线虫的培养
从温室中挑取染病的番茄根部,用清水洗去根部浮土,使线虫卵块清晰暴露出来,使用一次性注射器的针头挑取南方根结线虫的卵块于2 mL离心管中;在管中加入蒸馏水,轻轻摇晃,洗去卵块上附着的废渣,重复3次及以上,直至上层液体澄清;将清洗干净的根结线虫卵块分装到24孔板中,每孔加入10~15个卵块和1 mL蒸馏水,将24孔板放入 20 ℃培养箱中培养2~5 d。
1.4 菌株发酵上清液的制备
从保藏菌株的甘油管中蘸取菌液在2216e固体培养基上划线活化,于28 ℃培养,直至长出单菌落;使用接种环挑取单菌落接种于2216e液体培养基中,28 ℃,180 r/min 条件下摇床培养24 h,得到种子液。再以1%的接种量将种子液接种于2216e液体培养基中,28 ℃、180 r/min条件下摇床培养48 h,得到发酵液;然后将发酵液于离心机中12 000 r/min离心5 min,取上清,利用0.22 μm一次性滤膜过滤除菌得到发酵上清液。
1.5 触杀活性测定
1.5.1 以秀丽隐杆线虫进行初筛
①收集L2期秀丽隐杆线虫。将秀丽隐杆线虫在含有OP50的NGM平板上培养,在倒置显微镜下观察平板上有大量L2期线虫时(一般培养3~5 d),用纯净水将平板上的线虫都清洗下来,收集到1.5 mL离心管中;静置30 s,取上清于新的离心管中3 000 r/min离心1 min,弃上清,留下管底线虫,再加入纯净水洗涤,重复三次,得到L2期线虫悬浮液。
②发酵上清液触杀线虫活性检测。在96孔板中依次加入待测的203株深海芽胞杆菌2倍稀释的发酵上清液120 μL、秀丽隐杆线虫40~50头、3 μL 30 mg/mL氯霉素,每种待测发酵液3个重复。以2倍稀释的2216e液体培养基作为空白对照,置于20 ℃培养箱中培养,每组三个重复。48 h时用针刺法在倒置显微镜下观察线虫是否死亡,当用针接触后2秒内没有观察到运动时视为死亡
[20],线虫通过直接接触发酵上清液中的活性物质造成的死亡现象均认为属于发酵上清液对线虫的触杀活性,按下式计算线虫死亡率、校正死亡率:
线虫死亡率=死亡线虫数/供试线虫数×100%
校正死亡率=(实验组线虫死亡率-对照组线虫死亡率)/(1-对照组线虫死亡率)×100%
1.5.2 以南方根结线虫进行复筛
根结线虫卵块孵化2~5 d后,用200 μL移液枪收集孵化出的线虫,3 000 r/min离心1 min,弃上清,留下管底线虫,重复洗涤三次,得到线虫悬浮液;在96孔板中依次加入待测深海芽胞杆菌发酵上清原液120 μL、南方根结线虫40~50头、3 μL 30 mg/mL氯霉素,每种待测发酵液3个重复;其他步骤同1.5.1。
1.6 熏杀活性鉴定
线虫收集步骤同1.5.2;在96孔板中央孔中加入200 μL待测深海芽胞杆菌发酵上清原液,在其添加孔周围的四个孔加入200 μL无菌水和40~50头线虫,以2216e培养基为空白对照,每组做3个重复。置于20℃培养箱中培养,每24 h统计一次,观察统计线虫死亡数至48 h,统计方法同1.5.1;
1.7 数据处理
使用SPSS statistics 23.0数据处理软件对试验数据进行统计分析,线虫死亡率用(平均值±标准差)表示(n≥3)。
2 结果与分析
2.1 深海芽胞杆菌对秀丽隐杆线虫的触杀活性初筛
以自然资源部第三海洋研究所中国海洋微生物菌种保藏管理中心(MCCC)提供的203株深海芽胞杆菌为筛选对象,以模式生物秀丽隐杆线虫L2期幼虫为材料进行初筛。结果表明,经2倍稀释发酵上清液处理秀丽隐杆线虫48 h后,菌株分布在不同的杀线虫活性区间(
图1)。经过初筛发现有24株深海芽胞杆菌对秀丽隐杆线虫触杀活性在50%以上(
表1),其中海泥芽胞杆菌(
B. oceanisediminis)MCCC 1A14063、越南芽胞杆菌(
Bacillus vietnamensis)MCCC 1K00973、阿耶波多氏芽胞杆菌(
B. aryabhattai)MCCC 1K01976、阿耶波多氏芽胞杆菌MCCC 1K02966、阿耶波多氏芽胞杆菌MCCC 1K02972、伯克利氏芽胞杆菌(
Bacillus berkeleyi)MCCC 1K03654对秀丽隐杆线虫触杀活性均在80%以上。
2.2 深海芽胞杆菌对南方根结线虫的触杀活性复筛
经过对秀丽隐杆线虫的触杀活性初筛,选择杀线虫活性在50%以上的24株菌,再以植物病原线虫南方根结线虫为材料进行复筛。经24株深海芽胞杆菌的发酵上清原液处理J2期南方根结线虫24 h和48 h后,发现有14株菌在24 h时对南方根结线虫触杀活性在30%以上,48 h触杀活性在50%以上(
表2),其中越南芽胞杆菌MCCC 1K00973、蜡样芽胞杆菌MCCC 1A06184发酵上清液在48 h时对南方根结线虫触杀活性均在70%以上。
2.3 深海芽胞杆菌对南方根结线虫的熏杀活性鉴定
研究表明,许多具有良好杀线虫活性的菌株,其产生的挥发性代谢产物同样具有熏杀线虫活性
[21~23]。为了探索获得的深海芽胞杆菌是否具有熏杀线虫特性,本研究对深海芽胞杆菌发酵上清液对南方根结线虫的熏杀活性进行了检测。根据深海芽胞杆菌对南方根结线虫的触杀活性复筛结果,选择触杀活性最好的六株菌株对南方根结线虫进行熏杀活性鉴定,经菌株发酵上清液对南方根结线虫处理72 h后,发现阿耶波多氏芽胞杆菌MCCC 1K02966对南方根结线虫的熏杀活性在50%以上,海泥芽胞杆菌MCCC 1A14063、坚强芽胞杆菌MCCC 1A00263对南方根结线虫熏杀活性均在40%以上(
表3)。
3 讨 论
植物病虫害的防治是农业发展的重要领域之一,受到了人们广泛的关注
[24]。海洋微生物物种丰富,而目前被研究和鉴别的海洋微生物却只有不到其总量的5%,这个庞大的海洋微生物资源宝库亟待我们去开发探索
[25,26]。近几年,具有抗植物病虫害活性的海洋微生物被陆续报道
[27~30],这些发现表明了海洋微生物作为抗病虫害资源储存库的巨大潜力。
生防微生物资源的筛选是植物病虫害防治中极为关键的一步,也是投入实际应用中能否有效发挥作用的决定性因素之一
[31]。芽胞杆菌属广泛存在于自然界中,是土壤和植物根际的重要微生物种群
[32];且能够产生抗逆性强的芽胞,作为生防菌有利于菌剂生产和在环境中定殖
[33]。本研究以模式线虫秀丽隐杆线虫和植物病原线虫南方根结线虫为实验对象,对203株深海芽胞杆菌进行杀线虫活性筛选,获得14株对南方根结线虫具有良好触杀活性的深海芽胞杆菌,为线虫防治提供了宝贵的深海微生物资源。
本研究发现阿耶波多氏芽胞杆菌MCCC 1K02966、海泥芽胞杆菌MCCC 1A14063、坚强芽胞杆菌MCCC 1A00263不仅对根结线虫具有良好的触杀活性,而且具有一定的熏杀活性,同时具有触杀和熏杀双重杀线虫作用。阿耶波多氏芽胞杆菌和坚强芽胞杆菌作为一种植物促生菌
[34,35],是理想的杀线虫微生物菌剂。有研究从筛选出的27株植物促生菌中发现阿耶波多氏芽胞杆菌A08在体外实验中能够麻痹J2期南方根结线虫,在温室实验中能够显著降低番茄植株的根结指数
[36]。在盆栽实验中阿耶波多氏芽胞杆菌KMT⁃4可以使茄子根部的根结指数减少80%,根际土壤中的J2期爪哇根结线虫数目也显著降低;同时还表现出多种直接和间接促进植物生长的特性
[37]。坚强芽胞杆菌的杀线虫活性研究较为广泛,有研究通过盆栽和微样地试验评价了坚强芽胞杆菌I⁃1582对番茄根结线虫的杀线活性,发现与对照组相比,经坚强芽胞杆菌I⁃1582发酵液处理后,土壤中的根结线虫数分别减少了51%和53%,还能起到促进植物生长的效果
[38]。而目前关于海泥芽胞杆菌杀线虫方面的报道相对较少,研究发现从土壤中分离的106株细菌,其中包括海泥芽胞杆菌DDWC在内的八株细菌在温室和田间实验中都具有很好的根结线虫防治效果,与对照组相比,其对根结线虫的防治效果能提高到69.96%
[39]。由此可以看出,阿耶波多氏芽胞杆菌、坚强芽胞杆菌和海泥芽胞杆菌在农业线虫防治领域具有广阔的开发应用前景。但目前具有杀线虫活性的菌株大多来源于土壤,其产生的杀线虫物质种类及功能相对比较单一,使线虫更容易产生耐药性,导致线虫防治更加困难
[40],所以环境友好型的多重杀线虫活性菌株或者活性物质的筛选是解决线虫耐药性的有效方法。深海微生物由于生存在极端复杂的环境条件中,形成了极为特殊及复杂的代谢机制来维持生存,所以其产生的小分子化合物可能会具有更强的抗毒杀菌能力,而这些小分子化合物正是我们要研究开发的宝贵的微生物资源。MCCC 1K02966、MCCC 1A14063、MCCC 1A00263对线虫具有触杀和熏杀双重活性,我们可以通过使用其菌株本身或者分离其可能产生的具有独特杀线虫活性的代谢产物去解决目前防治中线虫耐药性增强这一难题,是我们目前要亟待解决的问题。
除此之外,MCCC 1K02966、MCCC 1A14063、MCCC 1A00263对线虫具有熏杀活性,说明它们在发酵过程中代谢产生了具有杀线虫活性的挥发性物质。微生物可以在土壤或其他生长基质中释放挥发性物质,从而通过多种作用模式预防和控制植物病原线虫
[21]。有研究发现叶绿素假单胞菌产生的挥发性有机化合物包括2⁃甲基⁃1⁃丁醇、辛酸乙酯、乙酸乙酯和乙酸异丁酯都具有杀线虫活性
[22];有学者从菌株KM2501⁃1中分离出11种挥发性有机化合物,其中8种具有触杀线虫活性,6种具有熏蒸活性,5种对根结线虫具有稳定的趋化性
[23];挥发性物质普遍存在于植物和微生物中,被认为是开发商业杀线虫剂的潜在分子
[41]。所以下一步研究将对MCCC 1K02966、MCCC 1A14063、MCCC 1A00263产生的挥发性物质进行分离鉴定,并对其杀线虫活性进行进一步研究,对探索新型绿色安全高效的杀线虫活性物质具有重要意义。
中国大洋矿产资源研究开发协会大洋 “十三五”“深海生物资源计划”(DY135-B2-17)
湖北省技术创新专项重大项目(2017ABA072)