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紫茎泽兰提取物对番茄青枯菌的抑菌作用及其机理



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 7 期
紫茎泽兰提取物对番茄青枯菌的抑菌作用及其机理
李丽萍 谢响明 宋洪英 牛伯庆
(北京林业大学生物科学与技术学院,北京 100083)
摘 要: 用紫茎泽兰 70%的乙醇提取物及其氯仿萃取物,对番茄青枯菌生理、生化、细胞形态等方面进行抑菌试验。乙
酸乙酯、正丁醇、乙醚、氯仿萃取物具有较好的热稳定性,在 pH9 时抑菌圈最大;通过透射电镜观察,菌体经紫茎泽兰提取物作
用后,鞭毛消失,中央出现空腔。SDS-PAGE显示紫茎泽兰氯仿萃取物处理番茄青枯菌后,菌体内蛋白质减少,随着作用时间
的延长,完全抑制或破坏了小分子蛋白质的合成,对大分子蛋白质也有一定的抑制作用。POD、CAT、SDH酶活测定显示,随着
加入的紫茎泽兰氯仿萃取液浓度的增大,酶活显著降低。以上试验结果表明,紫茎泽兰氯仿萃取液对番茄青枯菌有明显的抑
制作用,对于番茄青枯病防治的应用有一定的指导意义。
关键词: 紫茎泽兰 氯仿萃取物 抑菌机理 番茄青枯菌
Inhibitory Effect and Mechanism of Eupatorium adenophorum Spreng
Extract against Ralstonia solanacearum
Li Liping Xie Xiangming Song Hongying Niu Boqing
(College of Biological Sciences and Biotechnology,Beijing Forestry University,Beijing 100083)
Abstract: 70% of the ethanol extract of Eupatorium adenophorum Spreng and its chloroform extract was tested on Ralstonia so-
lanacearum in the aspects such as physiology,biochemistry,cell morphology and metabolism. The experiment showed that ethyl acetate,
butanol,ether,and chloroform extract exhibited satisfactory thermal stability,and the largest zone of inhibition was observed when the
condition of pH9,with electron microscopy,also,the bacterial flagellum disappeared and the central of bacteria turned cavity. SDS-
PAGE showed after the effects of chloroform extract of Eupatorium adenophorum Spreng,protein of bacteria reduced . As the role of the
time extended,micromolecular proteins were completely inhibited or its synthesis were undermined. The experiment also showed that
chloroform extract had inhibitory effect against some micromolecular proteins. With the concentration of chloroform extract of Eupatorium
adenophorum Spreng was increasing,the enzyme activity of POD,CAT and SDH decreased significantly. These research showed that
chloroform extract exhibited best inhibitory effect against Rastonia solanacearum and could provide some guidence for the application of
controlling Rastonia solanacearum.
Key words: Eupatorium adenophorum Spreng Chloroform extract Antibacterial mechanism Ralstonia solanacearum
收稿日期:2010-04-26
基金项目:农业部“公益性行业科研专项”(200803021-030)
作者简介:李丽萍,女,硕士研究生,研究方向:资源与环境微生物;E-mail:llp502315399@ 163. com
通讯作者:谢响明,男,教授,博士生导师,研究方向:资源与环境微生物;E-mail:xiangmingx@ sina. com
紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum Spreng) ,原
产中美洲的墨西哥,1935 年在我国云南省南部首次
发现,随河谷、公路、铁路传播。20 世纪 70 年代开
始在我国酿成草害。由于其旺盛的生命力和再生能
力,繁殖速度极快,现国内分布范围已达云南、贵州、
广西、四川、西藏、重庆、湖北及中国台湾等地。紫茎
泽兰入侵农田、林地、草地后,与庄稼、经济林木、牧
草争水肥、争空间、争光热,严重影响农作物、林木、
牧草的生长,造成农作物严重减产[1]。
紫茎泽兰中含有多种生物活性物质,目前已报
道的脂溶性化学成分有 49 种化合物[2 - 5],主要有倍
半萜类,甾体和三萜类,黄酮类和苯丙素酚类等。研
究表明,这些活性物质作为生物农药用于植物虫害
的防治能起到良好的效果[6 - 9]。
2010 年第 7 期 李丽萍等:紫茎泽兰提取物对番茄青枯菌的抑菌作用及其机理
青枯病是由青枯菌(Ralstonia solanacearum)引
起的一种毁灭性土传病害,是世界上危害最大、分布
最广、造成损失最严重的植物病害之一。目前化学
农药难以防治,而且存在污染环境、农药残留等问
题,抗性育种难度较大,农业措施较复杂,大面积生
产栽培难以实施。随着人们对农业可持续发展的日
益重视,青枯病的生物防治越来越吸引国内外研究
者的重视,具有广阔的研究领域。
本研究用紫茎泽兰 70%的乙醇提取物对番茄
青枯菌进行抑菌试验,后用不同极性的有机溶剂依
次将乙醇提取液萃取,得到不同极性段的活性物质,
其中氯仿萃取液对番茄青枯菌有较好的抑制作用,
进而用氯仿萃取液对番茄青枯菌进行抑菌机理试
验。通过 SDS-PAGE、透射电镜、酶活测定可以看
出,氯仿萃取液对番茄青枯菌的蛋白合成、菌体形
态、代谢等方面产生影响,从而使番茄青枯菌的致病
力降低或消失。
1 材料与方法
1. 1 材料
1. 1. 1 试验材料 紫茎泽兰叶片采自西昌,番茄
青枯菌(Ralstonia solanacearun)Tm5 由中国农业科
学研究院植物保护所提供。
1. 1. 2 试验试剂 95%乙醇、乙醚、乙酸乙酯、氯
仿、石油醚、正丁醇、丙酮、牛肉膏、蛋白胨、琼脂、
NaCl、蔗糖均购自北京蓝弋化工,为国产分析纯。
1. 1. 3 试验仪器 旋转蒸发仪 LABOROTA 4000;
循环水式蒸空泵 SHZ-Ⅲ;紫外可见分光光度计 UV-
2102C;小型高速粉碎机 ZN-02;超声波清洗器
KQ2200E;JEM-1010 透射电子显微镜;溶氧仪;Bio-
Rad电泳仪。
1. 2 紫茎泽兰提取液的抑菌效果
1. 2. 1 紫茎泽兰提取物的制备 取紫茎泽兰叶
片,置 60℃烘箱中烘干,粉碎,用 70%乙醇固液比
1∶ 10浸泡过夜后,超声波作用 20 min,过滤,取滤渣
再添加乙醇进行超声波放射,合并两次滤液,减压浓
缩成浸膏状备用。
1. 2. 2 MIC试验 用无菌蒸馏水将培养至对数生
长期的番茄青枯菌稀释成浓度为 106– 107CFU /mL
的菌悬液,每个平板加 200 μL,待培养基温度为
40℃左右时倒入平板,与菌液充分混匀,制成含菌平
板。用直径为 5 mm的灭菌滤纸片蘸取不同浓度的
紫茎泽兰 70% 乙醇提取液(1、0. 5、0. 25、0. 125、
0. 0625、0. 03125 g /mL) ,晾干后放在含菌平板上。
每个处理做 3 个重复,用 70% 的乙醇做对照。
31℃,48 h 恒温倒置培养。观察抑菌效果,测量抑
菌圈。
1. 2. 3 有机溶剂萃取液对番茄青枯菌的抑制作用
石油醚、乙醚、正丁醇、乙酸乙酯、氯仿、丙酮,按照
极性由小到大的顺序分别萃取紫茎泽兰乙醇提取物
浸膏,采用滤纸片法,用每种萃取液对番茄青枯菌进
行抑菌试验,每个处理做 3 个重复,以每种萃取液对
应的有机溶剂做对照。31℃,48 h 恒温倒置培养。
观察抑菌效果,测量抑菌圈。
1. 2. 4 添加金属离子对紫茎泽兰氯仿萃取物抑制
番茄青枯菌效果的影响 浓度为 1 g /mL 的紫茎泽
兰乙酸乙酯、乙醚、正丁醇、氯仿萃取物分别与含 0. 5
g /mL Cu2 +、Mn2 +的5%乙醇溶液(经试验该浓度对菌
的生长没有影响)按 1∶ 1 混合,以 0. 5 g /mL的 Cu2 +、
Mn2 +盐溶液和 4 种有机溶剂萃取液为对照,每个处
理 3个重复,采用滤纸片法做抑菌试验[10]。
1. 3 紫茎泽兰提取液稳定性试验
1. 3. 1 热稳定性 将乙酸乙酯、正丁醇、乙醚、氯
仿的紫茎泽兰萃取液在 70℃、80℃、90℃、100℃的
水浴中处理 20 min,以未经处理的萃取液为对照,用
滤纸片法观察温度对紫茎泽兰萃取液抑菌活性的影
响,每个处理做 3 个重复。
1. 3. 2 pH稳定性 用 1 mol /L的柠檬酸和1 mol /L
的 NaOH溶液将各种有机溶剂萃取液(浓度为 0. 5 g /
mL)的 pH值分别调为 5 – 9,采用滤纸片法进行抑
菌试验,每个处理做 3 个重复,以有机溶剂萃取液为
对照,31℃,48 h恒温倒置培养。观察抑菌效果,测量
抑菌圈。
1. 4 紫茎泽兰提取液的抑菌机理
1. 4. 1 紫茎泽兰提取液对番茄青枯菌生长曲线的
影响 200 mL 液体 NA 培养基中加入 500 μL 番茄
青枯菌液,同时加入 20 μL浓度为 1 g /mL的紫茎泽
兰氯仿萃取液,130 r /min,31℃恒温摇床培养,在菌
液达到对数生长期之前,每隔 4 h取样 5 mL,在菌液
达到对数生长期后,每隔 1 h 取样 5 mL,在 600 nm
下测菌液的吸光度值,做出经紫茎泽兰萃取液处理
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 7 期
后的番茄青枯菌生长曲线图。以不加萃取液的菌液
作为阴性对照。
1. 4. 2 紫茎泽兰氯仿萃取液对番茄青枯菌利用糖
的影响 向 200 mL 液体 NA 培养基中加入 500 μL
活化的番茄青枯菌液,130 r /min,31℃恒温摇床培养,
每隔 5 h取样 5 mL,采用蒽酮比色法,在 620 nm下测
菌液的吸光度值,以不加萃取液的菌液为对照,作出
紫茎泽兰氯仿萃取物对番茄青枯菌利用糖的曲线图。
1. 4. 3 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌蛋白含
量的影响 向 150 mL 培养至对数生长期的番茄青
枯菌液中加入 300 μL紫茎泽兰氯仿萃取液,继续培
养,分别在 3 h、6 h、9 h 取样,以未处理的菌液为对
照,用考马斯亮兰 G-250 染色法,在 595 nm 下测吸
光度值。以牛血清白蛋白为对照。
1. 4. 4 紫茎泽兰氯仿萃取物对番茄青枯菌细胞形
态的影响 将适量的双蒸水加入生长良好的番茄青
枯菌斜面试管中,轻轻拨动菌体,调整菌液浓度为
107– 108CFU /mL。菌液与氯仿萃取液等体积混合,
作用 10 h。用毛细管将处理的菌液滴加到铜网上,2
min后加 2%的磷钨酸,染色2 min后用滤纸吸干周
围液体。将铜网置于透射电镜下观察。以未经氯仿
提取物处理的菌液为对照[11]。
1. 4. 5 紫茎泽兰氯仿萃取物对番茄青枯菌总蛋白
的影响 将培养至对数生长期的番茄青枯菌加入含
300 μL 1 g /mL 紫茎泽兰氯仿萃取液的 NA 液体培
养基中,使每毫升药液含菌体 107 CFU,130 r /min,
31℃,恒温摇床培养。于 6 h、9 h、12 h 分别取样 5
mL;以不加提取液的菌液为对照。各样品均稀释成
相同的 OD值后离心取沉淀。在各样品沉淀中分别
加入 50 μL 无菌水和 200 μL 上样缓冲液混匀,于
100℃的水浴中煮沸4 min,再次离心取 15 μL 上清
液上样进行电泳。
1. 4. 6 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌 POD
酶的影响 紫茎泽兰氯仿萃取液浓度分别为 0. 1、
0. 2、0. 3、0. 5、1 g /mL,每种浓度取 300 μL 加入 150
mL含菌液体 NA培养基中,130 r /min,31℃恒温摇床
培养 24 h。每种浓度取 5 mL 培养液冰镇研磨成匀
浆,5 000 r /min 离心 10 min 后,取 1mL 上清液,加
3 mL反应液于常温25℃反应5 min后,立即于470 nm
处测吸光度值,空白对照加 3 mL 反应液,1 mL 100
mmol /L PBS(pH 6. 0) ,每个处理做 3个重复。
1. 4. 7 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌 CAT酶
的影响 紫茎泽兰氯仿萃取液浓度分别为 0. 1、0. 2、
0. 3、0. 5、1 g /mL,每种浓度取 300 μL加入 150 mL含
菌液体 NA培养基中,130 r /min,31℃恒温摇床培养
24 h。每种浓度取 5 mL 培养液冰镇研磨成匀浆,
5 000 r /min 离心 10 min后,取 1 mL上清液,加 3 mL
反应液于常温 25℃反应 10 min后,立即于 240 nm处
测吸光度值,空白对照加 3 mL 反应液,4 mL 150
mmol /L PBS(pH 7. 5) ,每个处理做 3个重复。
1. 4. 8 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌琥珀酸
脱氢酶的影响 取 1 mL 活化的番茄青枯菌加入
100 mL NA液体培养基中,分别加入 300 μL 浓度分
别为 0. 1、0. 2、0. 3、0. 5、1 g /mL 紫茎泽兰氯仿提取
液,以不加提取液的菌液为对照,130 r /min,31℃恒
温摇床培养 24 h。每种处理菌液取 1 mL于 1. 5 mL
离心管中离心(4 000 r /min,10 min)。收集菌体,用
0. 1 mol /L,pH7. 4 的 Tris-HCl 缓冲液洗涤菌体 3
次。加入与湿菌体同体积的浓度为 2 g /L 的溶菌
酶,37℃保温 15 min,菌体发粘时取出,立即冰浴。
加入 Tris-SDS缓冲液,5 000 r /min低温离心10 min,
取上清液,参照试剂盒说明测定酶活。
2 结果与分析
2. 1 抑菌试验
表 1 表明,不同浓度的 70%乙醇提取液对番茄
青枯菌的抑制效果有着明显的影响。浓度为 1 g /
mL时抑菌圈最大,随着浓度的降低抑菌圈也逐渐
减小,当浓度为 0. 03125 g /mL 时没有抑菌圈。乙
醚、正丁醇、氯仿和乙酸乙酯萃取液对番茄青枯菌都
有抑菌作用,氯仿萃取液的抑菌圈略大于其他 3 种
有机溶剂。石油醚和丙酮萃取液没有抑菌圈。
表 1 MIC试验和含活性物质的有机溶剂
萃取液的抑菌效果
提取液浓度
(g /mL)
1 0. 5 0. 25 0. 125 0. 0625 0. 03125
抑菌圈直径
(mm)
31. 8 18. 1 15. 6 9. 5 6. 8 -
有机溶剂 石油醚 乙醚 正丁醇 氯仿 乙酸乙酯 丙酮
抑菌圈直径
(mm)
- 8. 2 8. 4 9. 3 8. 8 -
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2010 年第 7 期 李丽萍等:紫茎泽兰提取物对番茄青枯菌的抑菌作用及其机理
2. 2 添加金属离子对抑菌效果的影响
图 1、图 2 分别为添加 Cu2 +、Mn2 +对乙醚、正
丁醇、氯仿和乙酸乙酯抑制番茄青枯菌的影响结
果。由图 1 可以看出加入 Cu2 +的各种有机溶剂萃
取液的抑菌效果与对照相比没有明显改变;在图 2
中,加入 Mn2 + 的氯仿萃取液抑菌圈明显大于
对照。
图 1 Cu2 +对有机溶剂萃取液抑菌作用的影响
图 2 Mn2 +对有机溶剂萃取液抑菌作用的影响
2. 3 紫茎泽兰提取物的稳定性
从图 3 可看出乙酸乙酯、氯仿、正丁醇、乙醚萃
取液在 70℃、80℃、90℃、100℃水浴中处理后,抑菌
圈和对照相比没有明显的差异;图 4 显示出,在 pH
为 9 时,抑菌圈明显大于对照和其他 pH 时的抑
菌圈。
2. 4 紫茎泽兰提取物的抑菌机理
2. 4. 1 紫茎泽兰提取液对番茄青枯菌生长曲线的
影响 图 5 显示,与对照相比,处理菌的生长曲线变
化明显。处理菌到达对数生长期的时间滞后于对照
菌,且对数期的峰值低于对照菌,到达对数生长期
4 - 6 h后进入稳定期和衰亡期。
图 3 紫茎泽兰提取物热稳定性试验分析
图 4 pH对紫茎泽兰脂溶性物质抑菌效果的影响
图 5 紫茎泽兰不同组分活性物质对番茄青枯菌
生长曲线的影响
2. 4. 2 紫茎泽兰氯仿萃取液对番茄青枯菌利用糖
的影响 图 6 显示,加提取液的含菌培养液中的糖
含量高于对照,处理菌对糖的利用趋于稳定的时间
要早于对照菌。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 7 期
图 6 氯仿萃取液对番茄青枯菌利用糖的影响
2. 4. 3 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌蛋白含
量的影响 由表 2 数据可看出,加紫茎泽兰氯仿萃
取物的菌液中蛋白质含量随着作用时间的延长有所
增加,分析可能原因为菌体细胞膜破裂,细胞质外
泄,从而导致培养基中的蛋白质含量增加。
表 2 紫茎泽兰氯仿萃取液对菌液蛋白质含量的影响
处理
时间(h)
对照菌液
(蛋白含量 μg /mL)
处理菌液
(蛋白含量 μg /mL)
3 619 506
6 598 519
9 554 656
2. 4. 4 透射电镜观察结果 图 7-A 显示,透射电
镜下观察到正常番茄青枯菌细胞壁、细胞膜光滑、完
整,有两对极生鞭毛,细胞质均匀;图 7-B 为处理后
的番茄青枯菌,不能清晰的分辨细胞壁和细胞膜,鞭
毛消失,菌体出现空腔。
图 7 正常生长的番茄青枯菌(A)及氯仿
萃取物处理后的番茄青枯菌(B)
2. 4. 5 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳结果 由图 8 可
以看出,随着氯仿萃取液作用时间的延长,番茄青枯
菌的蛋白质减少,谱带变窄,一些蛋白质的谱带变浅
甚至消失。
1,3,5.分别为未加提取物的番茄青枯菌在培养3 h、6 h、
9 h后的谱带;6,4,2.分别为加入提取物的番茄青枯菌
在培养 3 h、6 h、9 h后的谱带;M. marker
图 8 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳结果
2. 4. 6 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌 POD、
CAT酶的影响 由图 9 可看出,随着加入的紫茎泽
兰氯仿萃取物浓度的增大,吸光度值逐渐减小,表明
酶活随着萃取液浓度的增大逐渐降低。
图 9 紫茎泽兰氯仿萃取物对番茄
青枯菌 POD、CAT酶的影响
2. 4. 7 紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌琥珀酸
脱氢酶的影响 琥珀酸脱氢酶(SDH)是三羧酸循
环和电子传递链的关键酶,其活性大小直接影响电
子传递链和呼吸氧化作用,在呼吸链和三羧酸循环
中起着非常重要的作用。同时 SDH 是细胞能量代
谢的重要酶类,其活性变化可反应细胞的能量代谢
状况。
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2010 年第 7 期 李丽萍等:紫茎泽兰提取物对番茄青枯菌的抑菌作用及其机理
图 10 为不同浓度紫茎泽兰氯仿萃取物对番茄
青枯菌琥珀酸脱氢酶的比活性的影响。由表 3 可以
看出,加入不同浓度的紫茎泽兰氯仿萃取液,SDH
的平均比活性均低于空白对照,随着紫茎泽兰提取
物浓度的增加,SDH 平均比活性逐渐下降;用浓度
为 0. 1 g /mL的紫茎泽兰提取物处理后的菌液比未
经紫茎泽兰处理的对照菌的平均比活性低,差异极
显著(P < 0. 01)。因此可以看出,即使较低浓度的
表 3 不同浓度紫茎泽兰氯仿提取物对番茄青枯菌琥珀酸脱氢酶的影响
空白对照
浓度(g /mL)
0. 1 0. 2 0. 3 0. 5 1
蛋白含量
(g /mL)
0. 086 5 ± 0. 005 0. 0752 ± 0. 011 0. 0727 ± 0. 012 0. 0707 ± 0. 012 0. 0658 ± 0. 015 0. 0426 ± 0. 024
平均比活性
(U /mg)
22. 97 ± 3. 04 17. 69 ± 2. 31 16. 51 ± 1. 25 14. 55 ± 1. 28 11. 68 ± 1. 17 5. 71 ± 1. 65
氯仿萃取液处理番茄青枯菌,对 SDH也产生明显的
影响;添加浓度为 0. 1 g /mL 与 0. 2 g /mL 药液的处
理菌的平均比活性没有显著性差异,0. 3 与 0. 5 g /
mL、0. 5 与 1 g /mL 之间平均比活性有显著性差异
(P < 0. 01)。
图 10 紫茎泽兰提取物对青枯菌 SDH酶的影响
3 讨论
本研究结果表明,70%的紫茎泽兰乙醇提取物
对番茄青枯菌有抑制作用,且最小抑菌浓度为
0. 0625 g /mL。用不同极性的有机溶剂依次萃取紫
茎泽兰的 70%乙醇提取物浸膏,其中乙醚、正丁醇、
氯仿、乙酸乙酯萃取液对番茄青枯菌有抑制作用,氯
仿萃取液的抑菌效果最好,但以上 4 种有机溶剂萃
取液的抑菌圈均明显小于 70%的乙醇提取液。因
此可以推断,紫茎泽兰抑菌的活性物质很可能不是
一种单独的化合物起作用,而是几种化合物协同作
用的结果,此结论需进一步的研究证实。
所添加金属离子中,只有 Mn2 +的氯仿萃取液抑
菌圈明显大于对照,其他没有明显变化。其原因可
能是活性物质中的化合物没有和金属离子形成鏊合
物或形成但不稳定,很快分解。本研究表明紫茎泽
兰活性物质具有较好的热稳定性,在 pH 为 9 时抑
菌效果较好。
在抑菌机理方面,透射电镜下药物作用的番茄
青枯菌体中央出现空腔,可能是内容物外泄,最终导
致菌体死亡,鞭毛消失会使菌体不能自由移动,从而
使致病力减弱。通过 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳和
对 POD、CAT、SDH 的测定,可看出紫茎泽兰活性物
质抑制了某些蛋白的合成,降低了酶的比活力,从而
影响菌的代谢。
4 结论
本研究显示出紫茎泽兰叶片中的活性物质对番
茄青枯菌有抑制作用。后续的研究工作如果能够分
离并确定活性物质中起抑菌作用的化合物,并制成
生物农药,对于利用紫茎泽兰防治番茄青枯病,使这
种恶性杂草变废为宝具有一定的现实意义。
参 考 文 献
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