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Identification and Antagonistic Activity of Endophytic Bacterial Strain NG14 Isolated from the Fruits of Paracel Islands Noni(Morinda citrifolia L.)

一株西沙群岛野生诺尼内生细菌NG14的分类鉴定及拮抗活性



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第3期
诺尼(Morinda citrifolia L.)又称为海巴戟天、
诺丽、 萝梨、四季果或印桑椹等,是一种发源于南
太平洋岛屿的热带常绿多年生茜草科植物,其富含
160 余种营养成分,具有独特的保健功效与药用价
值,故被人们称为“超级水果”[1]。国内外已有众
多关于诺尼植物对多种病症具有显著疗效的科学研
究报道,如抗肿瘤、抑菌消炎、改善免疫调节功能、
减少肝损伤等诸多方面[2,3]。在当今美国等发达国
家的临床实践中,诺尼保健食品已被人们用来辅助
治疗多种疾病[4]。
植物内生细菌是能够在健康植物组织内栖居而
收稿日期 :2013-09-06
基金项目 :国家自然科学基金项目(31300008),中国食品发酵工业研究院科技发展基金(博士基金)项目(2012KJFZ-BS-01)
作者简介 :刘洋,男,博士,工程师,研究方向 :微生物分子生物学与生态学 ;E-mail :ly81150@163.com
通讯作者 :程池,男,教授级高工,博士生导师,研究方向 :微生物学 ;E-mail :cheng100027@163.com
一株西沙群岛野生诺尼内生细菌 NG14 的分类鉴定及
拮抗活性
刘洋  李金霞  姚粟  张明娟  陈建国  程池
(中国食品发酵工业研究院 中国工业微生物菌种保藏管理中心,北京 100015)
摘 要 : 植物的内生菌与植物生长健康及其功效性成分产生具有一定的相关性。以分离自我国西沙群岛野生诺尼成熟果实
的内生细菌菌株 NG14 为对象,利用形态学观察,生理生化特征鉴定及系统发育学分析,对其菌种的分类地位进行研究,将其鉴
定为多黏类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa);并通过选择多种植物及人体病原菌作为生防对象进行拮抗试验,发现了该菌株具
有广谱且良好的拮抗病原菌活性。
关键词 : 诺尼 内生细菌 NG14 鉴定 拮抗活性
Identification and Antagonistic Activity of Endophytic Bacterial Strain
NG14 Isolated from the Fruits of Paracel Islands
Noni(Morinda citrifolia L.)
Liu Yang Li Jingxia Yao Su Zhang Mingjuan Chen Jianguo Cheng Chi
(China Center of Industrial Culture Collection,China National Research Institute of Food and Fermentation Industries,Beijing 100015)
Abstract:  Endophytes related with healthy and efficacy component production of plants. In this study,the bacterial strain NG14 isolated
from Paracel Islands Noni(Morinda citrifolia L.)fruit. NG14 was identified as Paenibacillus polymyxa by polyphasic taxonomy basing on
morphologicial and physiological methods,and 16S rRNA gene phylogenetic analysis. Through the antagonism test,results showed that the
strain NG14 had a comprehensive and fine antagonistic activity against pathogens chosen for this research.
Key words:  Noni Endophytes NG14 Identification Antagonistic activity
对植物不造成实质性危害而与植物建立了和谐联合
关系的微生物[5],其中不乏能够促进植物生长健康
及功效性成分产生的有益微生物种类[6]。
诺尼作为重要且具地域特色的保健食品植物原
材,愈来愈受到人们的关注,国内外对其相关的研
究报道众多,且与日俱增,但目前主要集中于诺尼
功效性及其活性物质分析方面,而作为诺尼植物生
长、功效性成分产生及其自然发酵产品质量的潜在
影响因素——内生细菌,特别是内生功能细菌的相
关研究尚鲜有报道。本研究以自西沙诺尼果实分离
筛选得到的内生细菌菌株 CICC 10580 为研究对象,
2014年第3期 101刘洋等 :一株西沙群岛野生诺尼内生细菌 NG14 的分类鉴定及拮抗活性
对其进行分类鉴定及其拮抗活性研究,旨在为进一
步了解其生物功能机制及开发相关益微菌剂奠定微
生物资源基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 菌株 NG14 菌株 NG14 由笔者及其所在课题
组自我国西沙群岛野生诺尼成熟果实(2012 年 12
月采集自中国海南省三沙市永兴岛,具体位置为东
经 112.34°,北纬 16.83°)中分离获得,并保藏于
中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC),保藏
编号为 CICC 10580。
1.1.2 培养基 LB 培养基与 PDA 培养基。
1.2 方法
1.2.1 形态学观察 将检测菌接种于 LB 固体培养
基,置于 30℃培养 24 h 后,观察其在 LB 培养基上
的培养特征 ;并利用光学显微镜及电子显微镜进行
菌体特征观察[7]。
1.2.2 生 理 生 化 特 征 API 检 测 采 用 API 20E 及
API 50CH 试剂条对 NG14 的酶活性、碳源利用及其
产酸情况等生理生化特征进行检测,具体操作方法
按试剂条使用说明书进行。
1.2.3 16S rRNA 基因序列分析 利用细菌基因组
DNA 提取试剂盒(Tiangen 公司)提取试验菌株基因
组 DNA,具体步骤参见试剂盒说明书,提取的基因
组 DNA 用 0.8% 的琼脂糖进行检测。
以基因组 DNA 为模板,利用通用引物对 16S
rRNA 基因进行扩增。引物序列为:正向引物 27f(5-
AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3), 反 向 引 物 1 492r
(5-GGTTACCTTGTTACGACTT-3)[7]。50 μL PCR
反应体系 :50 ng DNA 模板,1×Taq reaction buffer,
引 物 各 20 pmol,20 μmol dNTP,1.5 单 位 Taq 酶
(Ferments)。反应程序为 :94℃预变性 5 min,94℃
变性 1 min,52℃复性 1 min,72℃延伸 1 min 30 s,
30 个循环后 72℃延伸 10 min。PCR 扩增产物用 1%
的琼脂糖进行检测。纯化后的 PCR 产物用 ABI 3700
基因测序仪测序。测序由北京诺赛基因组研究中心
有限公司完成。测序结果用 Chromas 软件参照正反
序列图谱人工校对。将测序得到的结果在 EzTaxon
server 2.1 数据库中进行比对[8],确定与已知近缘种
序列的相似性。采用 CLUSTAL W 对 NG14 及其若干
近缘种 16S rRNA 基因序列进行多序列比对[9],并
利用 N-J 法通过 MEGA 4 软件进行系统发育及分子
进化分析[10]。
1.2.4 拮 抗 蛋 白 β-1,3-1,4- 葡 聚 糖 酶 基 因 的 克
隆 β-1,3-1,4- 葡 聚 糖 酶 是 具 有 拮 抗 活 性 的 功
能 蛋 白。 以 提 取 获 得 的 NG14 基 因 组 DNA 为 模
板, 利 用 特 异 性 引 物 对 拮 抗 蛋 白 β-1,3-1,4- 葡
聚 糖 酶 基 因 进 行 扩 增, 上 游 引 物(W1) 为 5-
TTGCGAATGTGTTCTGGGAACC-3,下游引物(W2)
为 5-TACTAATTGCTCGTATATTTTACCCA-3[11]。
50 μL PCR 反应体系 :50 ng DNA 模板,1×Taq
reaction buffer,引物各 20 pmol,20 μmol dNTP,1.5
单位 Taq 酶(Ferments)。反应程序为 :94℃预变性
5 min,94℃变性 30 s,56℃复性 50 s,72℃延伸 1
min,30 个循环后℃延伸 10 min。PCR 扩增产物用
1% 的琼脂糖进行检测。纯化后的 PCR 产物用 ABI
3700 基因测序仪测序。引物合成及测序均由北京诺
赛基因组研究中心有限公司完成。测序得到的结果
在 GenBank 数据库中进行比对。
1.2.5 菌株 NG14 拮抗病原菌试验
1.2.5.1 菌株 NG14 拮抗植物病原菌试验 供试植
物病原真菌采用尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)
(ACCC 36438)、玉蜀黍平脐蠕孢(Bipolaris maydis)
(ACCC 36265)及麦根腐平脐蠕孢(Bipolaris soroki-
niana)(ACCC 36805),购自中国农业微生物菌种保
藏管理中心(ACCC)。
病原菌活化两次后在病原菌试管中加入 10 mL
无菌水,用接种针将孢子和菌丝小心刮下,然后倒
入放有玻璃珠的三角瓶中,摇床振荡将菌块打碎,
静置,将上清倒入已冷却至 45℃的 300 mL PDA 培
养基中,摇匀后立即倒平板,冷却凝固后,放置无
菌小圆滤纸片(2 个 / 皿),30 ℃培养过夜。将待检
诺尼内生细菌菌株接入液体 LB 培养基中,150 r/min、
30℃振荡培养过夜,菌悬液密度为 108-109 cell/mL,
滴加在病原菌培养基的滤纸片上(3 μL/ 片),30℃
培养 24-36 h,观察抑菌圈。
1.2.5.2 菌株 NG14 拮抗人体致病菌试验 供试人
体 致 病 菌 采 用 大 肠 杆 菌(Escherichia coli)(CICC
21530)、 金 黄 色 葡 萄 球 菌(Staphyloccocus aureus)
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第3期102
(CICC 21600)、 肠 沙 门 氏 菌(Salmonella enterica)
(CICC 21513)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aerugi-
nosa)(CICC 21636)及福氏志贺氏菌(Shigella fle-
xneri)(CICC 21534),由中国工业微生物菌种保藏管
理中心(CICC)提供。
利用无菌蒸馏水制备供试致病菌悬液(106-107
cell /mL),将 10 mL LB(琼脂含量为 15 g/L)倒入
培养皿中制作底层培养基,然后取冷却至 50℃左右
的 LB 培养基 9.5 mL,加入 0.5 mL 试验致病菌悬液,
迅速摇匀后,倒入已含有底层培养基的培养皿中,
水平放置待其凝固。将待检诺尼内生细菌菌株接入
液体 LB 培养基中,150 r/min、30℃振荡培养过夜,
菌悬液密度为 108-109 cell /mL,取 3 μL 点种于致病
培养基上,37℃培养过夜,观察抑菌圈。
2 结果
2.1 形态学观察
菌株 NG14 在 LB 培养基上菌落浅黄色,不规则
形状,表面扁平,不透明,边缘褶皱(图 1-a),菌
体细胞呈杆状,0.5 μm×(1.0-2.0) μm,革兰氏阳性,
芽孢为卵圆形,次端生,胞囊膨大(图 1-b,图 1-c)。
2.2 生理生化特征鉴定
经 API 20E 及 API 50CH 试剂条对 NG14 的酶活
性、碳源利用及其产酸情况等生理生化特征进行检
测,结果显示 NG14 能够水解明胶 ;具有 β- 半乳糖
苷酶活性;并能够利用葡萄糖、甘露醇、肌醇、山梨醇、
鼠李糖、蔗糖、蜜二糖、苦杏仁苷及 L- 阿拉伯糖等
多种碳源物质,具体结果,详见表 1。
2.3 16S rRNA基因序列分析
菌株 NG14 的基因组 DNA 提取结果,见图 2,
所 提 取 的 DNA 片 段 约 为 23 kb, 利 用 引 物 27f 和
1 492r 扩增得到 16S rRNA 基因全长序列,结果(图
3)显示,PCR 产物仅有一条带,大小约为 1 500
bp。扩增产物经测序及分析处理后,将序列信息提
交至 GenBank,登录号为 KF679747。以 Escherichia
表 1 NG14 生理生化特征 AP1 检测结果
检测项目 结果 检测项目 结果 检测项目 结果 检测项目 结果
葡萄糖 + 甘露醇 + 肌醇 + 山梨醇 +
鼠李糖 + 蔗糖 + 蜜二糖 + 苦杏仁苷 +
L- 阿拉伯糖 + 赤藓糖醇 - D- 阿拉伯糖 - D- 核糖 +
D- 木糖 + L- 木糖 - D- 侧金盏花醇 1 - 甲基 -β-D- 吡喃木糖苷 +
D- 半乳糖 + D- 果糖 + D- 甘露糖 + L- 山梨糖 -
卫矛醇 - 甲基 -α-D- 吡喃甘露糖苷 - 甲基 -α-D- 吡喃葡萄糖苷 + N- 乙酰葡萄糖胺 -
熊果苷 + 七叶灵 + 水杨苷 + D- 纤维二糖 +
D- 麦芽糖 + D- 乳糖 + D- 海藻糖 + 菊粉 +
D- 松三糖 - D- 棉籽糖 + 淀粉 + 糖原 +
木糖醇 - D- 龙胆二糖 - D- 来苏糖 + D- 塔格糖 -
D- 岩藻糖 - L- 岩藻糖 - D- 阿拉伯醇 - L- 阿拉伯醇 -
葡萄糖酸钾 - 2 酮基葡萄糖酸钾 - 5 酮基葡萄糖酸钾 - 明胶水解 +
β- 半乳糖苷酶 + 精氨酸双水解酶 - 赖氨酸脱羧酶 - 鸟氨酸脱羧 -
柠檬酸利用 - H2S 产生 - 脲酶 - 色氨酸脱氨酶 -
吲哚产生 - 丙酮酸盐利用 +
0.2 μma b c
a :宏观形态学观察 ;b :光学显微镜观察 ;c :电子显微镜观察
图 1 菌株 NG14 形态学观察结果
23.1
kb
M 1
M: λDNA/HindΙΙΙ Marker ;1: NG14 基因组 DNA
图 2 NG14 基因组 DNA
2014年第3期 103刘洋等 :一株西沙群岛野生诺尼内生细菌 NG14 的分类鉴定及拮抗活性
表 1 NG14 生理生化特征 AP1 检测结果
检测项目 结果 检测项目 结果 检测项目 结果 检测项目 结果
葡萄糖 + 甘露醇 + 肌醇 + 山梨醇 +
鼠李糖 + 蔗糖 + 蜜二糖 + 苦杏仁苷 +
L- 阿拉伯糖 + 赤藓糖醇 - D- 阿拉伯糖 - D- 核糖 +
D- 木糖 + L- 木糖 - D- 侧金盏花醇 1 - 甲基 -β-D- 吡喃木糖苷 +
D- 半乳糖 + D- 果糖 + D- 甘露糖 + L- 山梨糖 -
卫矛醇 - 甲基 -α-D- 吡喃甘露糖苷 - 甲基 -α-D- 吡喃葡萄糖苷 + N- 乙酰葡萄糖胺 -
熊果苷 + 七叶灵 + 水杨苷 + D- 纤维二糖 +
D- 麦芽糖 + D- 乳糖 + D- 海藻糖 + 菊粉 +
D- 松三糖 - D- 棉籽糖 + 淀粉 + 糖原 +
木糖醇 - D- 龙胆二糖 - D- 来苏糖 + D- 塔格糖 -
D- 岩藻糖 - L- 岩藻糖 - D- 阿拉伯醇 - L- 阿拉伯醇 -
葡萄糖酸钾 - 2 酮基葡萄糖酸钾 - 5 酮基葡萄糖酸钾 - 明胶水解 +
β- 半乳糖苷酶 + 精氨酸双水解酶 - 赖氨酸脱羧酶 - 鸟氨酸脱羧 -
柠檬酸利用 - H2S 产生 - 脲酶 - 色氨酸脱氨酶 -
吲哚产生 - 丙酮酸盐利用 +
coli KCTC 2441T(EU014689) 为 外 群, 构 建 NG14
与相关近缘模式菌株的系统发育树(图 4)。由系
统发育分析可断,菌株 NG14 归属为类芽孢杆菌属
(Paenibacillus sp.)。
M 1
1500
bp
M: 100bp Marker Ladder ;1: NG14 16S rRNA 基因
图 3 NG14 16S rRNA 基因 PCR 扩增产物
NG14
Paenibacillus peoriae DSM 8320T AJ320494
Paenibacillus jamilae CECT 5266T AJ271157
Paenibacillus polymyxa ATCC 842T AFOX01000032
Paenibacillus brasilensis PB172T AF273740 
Paenibacillus terrae AM141T AF391124
Paenibacillus hunanensis FeL05T EU741036
Paenibacillus uliginis N3/975T FN556467
Paenibacillus puldeungensis CAU 9324T GU187433
Paenibacillus timonensis 2301032T AY323610
Escherichia coli KCTC 2441T EU014689
55
52
80
99
68
79
50
64
0.02
Paenibacillus kribbensis AM49T AF391123
采用邻接法,根据菌株 16S rDNA 部分序列构建的系统发育树。圆括号内为
GenBank 中的收录号 ;
每个分支点处的数字为 Bootstrap(1 000 次抽样)的支持百分率。标尺代表 2%
的序列差异度
图 4 菌株 NG14 16S rRNA 基因系统发育分析
2.4 拮抗蛋白β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因的克隆
以菌株 NG14 的基因组 DNA 为模版,利用特异
性引物(W1/W2)对拮抗蛋白 β-1,3-1,4- 葡聚糖
酶基因进行扩增,结果如图 4 所示,扩增片段大小
约为 500 bp 左右(图 5),产物经测序及分析处理后,
将序列信息提交至 GenBank,登录号为 KF679748。
将 NG14 β-1,3-1,4- 葡聚糖酶基因序列在 GenBank
中进行 Blast 比对,与多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus
polymyxa)β-1,3-1,4- 葡聚糖酶基因序列的相似度
为 99%,而与类芽孢杆菌属中的其他近缘种的相似
度均不高于 90%。
M:100 bp Marker Ladder ;1: NG14 β-1,3-1,4- 葡聚糖酶基因
图 5 NG14 β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因 PCR 扩增产物
2.5 菌株NG14分类鉴定结论
通 过 形 态 学 观 察, 生 理 生 化 特 征 鉴 定,16S
rRNA 基因序列系统发育分析及功能基因 β-1,3-1,
4- 葡聚糖酶基因的比对分析,并结合相关文献报
道[13,14],西沙群岛野生诺尼内生细菌 NG14 被鉴定
为多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)。
2.6 菌株NG14拮抗病原菌的效果
通过拮抗试验,显示菌株 NG14 对所选取供试
的植物病原真菌尖孢镰刀菌、玉蜀黍平脐蠕孢及麦
根腐平脐蠕孢以及人体致病菌大肠杆菌、金黄色葡
萄球菌、肠沙门氏菌、铜绿假单胞菌及福氏志贺氏
菌的拮抗圈明显,体现菌株 NG14 具有拮抗上述病
原菌良好的生物学活性(图 5,图 6)。
500
bp
M 1
a b c
a :NG14 拮抗尖孢镰刀菌效果 ;b :NG14 拮抗玉蜀黍平脐蠕孢 ;c. :NG14
拮抗麦根腐平脐蠕孢
图 5 菌株 NG14 拮抗植物病原菌的效果
3 讨论
与植物建立了和谐联合关系的植物内生菌中不
a b c
ed
a :NG14 拮抗大肠杆菌 ;b. NG14 拮抗金黄色葡萄球菌 ;c :NG14 拮抗肠沙
门氏菌 ;d : NG14 拮抗铜绿假单胞菌 ;e :NG14 拮抗福氏志贺氏菌
图 6 菌株 NG14 拮抗人体致病菌的效果
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第3期104
乏一些具有生防作用,从而能够对植物生长起到促
进作用的细菌种类。到目前为止已从水稻、玉米、
棉花、马铃薯及辣椒等众多植物体中分离得到了具
有良好抑制效果的植物内生细菌[15-18]。关于内生细
菌的防病机制,主要包括分泌抗菌物质[19]、竞争生
态位与营养物质[20,21]、诱导系统抗性[22,23]及作
为外源基因载体等[24,25]。本课题组研究表明,用
阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)接种,在长出一
片真叶的水稻苗上能够诱导水稻自身对白叶枯病菌
(Xanthomonas oxyzae)的抗性,这表明最初的接种能
使作物产生交叉保护反应,进而对随后病原菌的感
染产生了抗性[26]。
此外,植物内生菌与植物功效性成分的产生亦
具有一定的相关性。Stierle 等[27]首次从短叶红豆
杉中分离得到能够合成抗癌物质—紫杉醇的内生菌,
证明内生菌具有合成与宿主植物相同或相似活性物
质成分的功能,这一研究发现掀起了一场从药用植
物中分离内生菌的热潮。目前研究所发现的抗菌消
炎类物质是某些植物内生菌产生的重要功效性成分
物质之一。王巍等[28]从金雀根植物内生菌 HBI 代
谢物中分离到吲哚类生物碱 Neoechinulin A,该物质
能够抑制霍乱弧菌的活性。Kharwar 等[29]自印度楝
中分离出一株氯霉菌(Chloridium sp.),其可产生一
种对人及植物病原菌有显著抗菌活性的的萘醌类物
质—瓜哇镰菌素。此外,还有自贯中、麦冬、决明、
中国南海红树、雷公藤及金银花等植物中分离获得
能够产生抗菌类物质的内生菌的研究报道[30,31]。
本研究在国内外首次针对我国重要的植源性保
健食品原材—西沙群岛野生诺尼内生细菌为对象,
利用形态学观察,生理生化特征鉴定及系统发育学
分析,对其菌种分类地位进行研究,最终将诺尼内
生细菌 NG14 鉴定为多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus
polymyxa);并通过选择多种植物及人体病原菌作为
生防对象进行拮抗试验,发现了该菌株具有广谱且
良好的拮抗病原菌活性。笔者所在课题组宋未等于
20 世纪 90 年代自水稻根部分离得到多粘类芽孢杆
菌 WY110 对水稻的 3 种主要病原菌——稻瘟病、水
稻纹枯病及水稻白叶枯病均具有很高的体外特异性
拮抗活性,且拮抗谱较宽,在温室实验中表现较好
的植株防病效果,普遍达到 50% 以上,具有良好的
研究与应用价值[32]。此外,进一步分离纯化得到
了对稻瘟病具有拮抗活性的抗菌蛋白 P2,在理化指
标及氨基酸序列测定基础上将其鉴定为 β-1,3-1,
4- 葡聚糖酶,并成功克隆出该抗菌蛋白的基因及实
现原核表达[11]。本研究是继 Paenibacillus polymyxa
WY110 之后,又一株分离自植物的具有 β-1,3-1,4-
葡聚糖酶拮抗活性的多粘类芽孢杆菌。
本研究为进一步了解植物微生态系统中微生物
与其宿主植物之间的相互作用关系提供了新的见解,
同时为下一步充分发挥与利用该菌株的生物学活性,
促进诺尼植物生长、功效性成分产生及在诺尼产品
自然发酵生产过程中合理实施必要的微生物控制与
强化提供了新的思路。
4 结论
本 研 究 以 分 离 自 我 国 西 沙 群 岛 野 生 诺 尼 成
熟果实的内生细菌菌株 NG14 为对象,对其菌种
分类地位进行研究,将其鉴定为多粘类芽孢杆菌
(Paenibacillus polymyxa);并通过对多种病原菌的拮
抗试验,证明该菌株具有广谱且良好的拮抗活性。
参 考 文 献
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(责任编辑 狄艳红)