对枯草芽孢杆菌Y-6抗菌肽抑制桃软腐菌的机理进行初步研究。利用PDA平板法研究了该抗菌肽对桃软腐菌的抑制活性,探讨了其对琥珀酸脱氢酶(SDH)和苹果酸脱氢酶(MDH)活性的影响,通过扫描和透射电镜考察了抗菌肽对桃软腐菌孢子萌发的影响,评价了抗菌肽对桃软腐菌利用糖和蛋白质的影响。结果表明,该抗菌肽能有效抑制桃软腐菌的生长繁殖及孢子萌发,其最低抑菌浓度为175ug·mL-1;该抗菌肽对桃软腐菌孢子壁具有溶解作用,并且可以抑制桃软腐菌SDH和MDH酶活性。此外,当抗菌肽作用于不同生长阶段的桃软腐菌后导致其对营养物质的吸收受阻或停止。B.subtilis Y-6抗菌肽对桃软腐菌孢子壁的破环、抑制桃软腐菌呼吸代谢及利用营养物质的酶的生物合成是其主要的抑制机理。
全 文 : 核 农 学 报 2014,28(6):1047 ~ 1051
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2013⁃10⁃23 接受日期:2014⁃01⁃16
基金项目:浙江省自然科学基金(Y3080037),宁波市自然科学基金(2009C32017)
作者简介:袁勇军,男,副教授,主要从事食品微生物及生物技术研究。 E⁃mail:yuan2007019@ aliyun. com
通讯作者:同第一作者。
文章编号:1000⁃8551(2014)06⁃1047⁃04
B. Subtilis Y⁃6 产抗菌肽对桃软腐菌的抑制机理研究
袁勇军 汪 吴 戚向阳
(浙江万里学院生物与环境学院,浙江 宁波 315100)
摘 要:对枯草芽孢杆菌 Y -6 抗菌肽抑制桃软腐菌的机理进行初步研究。 利用 PDA平板法研究了该抗
菌肽对桃软腐菌的抑制活性,探讨了其对琥珀酸脱氢酶(SDH)和苹果酸脱氢酶(MDH)活性的影响,通
过扫描和透射电镜考察了抗菌肽对桃软腐菌孢子萌发的影响,评价了抗菌肽对桃软腐菌利用糖和蛋白
质的影响。 结果表明,该抗菌肽能有效抑制桃软腐菌的生长繁殖及孢子萌发,其最低抑菌浓度为 175ug
·mL - 1;该抗菌肽对桃软腐菌孢子壁具有溶解作用,并且可以抑制桃软腐菌 SDH 和 MDH 酶活性。 此
外,当抗菌肽作用于不同生长阶段的桃软腐菌后导致其对营养物质的吸收受阻或停止。 B. subtilis Y - 6
抗菌肽对桃软腐菌孢子壁的破环、抑制桃软腐菌呼吸代谢及利用营养物质的酶的生物合成是其主要的
抑制机理。
关键词:Bacillus subtilis;抗菌肽;桃软腐菌;抑制机理
DOI:10 11869 / j. issn. 100⁃8551 2014 06. 1047
桃软腐病(Rhizopus stolonifer)是桃采后的主要病
害之一,在桃果贮藏、运输和销售中,易引起桃果实腐
烂,造成重大损失。 低温能有效抑制桃软腐菌的生长,
延长桃货架期。 但是在桃生产流通链条中,低温条件
很难满足。 研究者们评价了氯硝铵[1]、五氯硝基
苯[2]、一氧化氮[3]、巴西棕榈蜡[4]、脱乙酰壳多糖[5]、
植物提取物[6]、酵母菌拮抗[7 - 8]对桃软腐菌抑制效果,
但其作用机理尚未见报道。 笔者前期研究分离到一株
可产生抗菌肽的枯草芽孢杆菌 Y - 6 (先前编号
WL17) [9 - 10],该产抗菌肽具有广谱性并对食品中常见
的腐败菌和致病菌有较强的抑制作用。 本文拟对菌株
Y -6 产抗菌肽抑制桃软腐病机理进行初步研究,为其
进一步开发应用提供理论依据。
1 材料和方法
1. 1 主要材料
1. 1. 1 菌株 枯草芽孢杆菌 Y -6、桃软腐菌,由浙江
万里学院食品微生物实验室分离并保存。
1. 1. 2 培养基 PDA和 PDB培养基购自杭州微生物
研究所;BPY培养基(g·L - 1):牛肉浸膏 5. 0g,蛋白陈
10. 0g,酵母膏 5. 0g,NaCl 5. 0g,葡萄糖 10. 0g,蒸馏水
I000mL,调 pH 值为 7. 2, 112℃灭菌 20min;Landy 培
养基( g·L - 1 ):葡萄糖 20. 0g,L - 谷氨酸钠 5. 0g,
MgSO4 0. 5g,KCl 0. 5g,KH2 PO4 1. 0g,FeSO4 0. 15mg,
MnSO4 5. 0mg,CuSO4 0. 16mg,蒸馏水 1000mL,调 pH
值为 7. 2, 105℃灭菌 15min。
1. 1. 3 主要试剂 琥珀酸脱氢酶(SDH)和苹果酸脱
氢酶(MDH)为试剂盒,购自南京建成生物工程研究
所。 Sephadex LH⁃20,购于美国 Sigma公司。 其它均为
分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司。
1. 1. 4 仪器设备 扫描电子显微镜(S - 3400N,日本
日立公司)、透射电子显微镜(H - 7650,日本日立公
司)、分光光度计(UV - 1750,日本岛津公司)、智能型
超声波细胞破碎仪(JYD - 150,上海之信仪器有限公
司)。 仪器:高速台式冷冻离心机 ( 5804R,德国
Eppendorf 公司 )、 LC - 6AD 半制备液相色谱仪
(Kromaisl C - 18 色谱柱,250 × 10mm,5μm,日本岛津
公司)、旋转蒸发仪(LR4000,德国 Heidolph 仪器有限
公司 )、低温冷冻干燥机 ( SNL1088,美国 Thermo
7401
核 农 学 报 28 卷
Electron仪器有限公司)。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 桃软腐菌孢子悬液制备 挑取一定量桃软腐
菌接入 PDA斜面培养基,28℃培养箱中静置培养 72h。
使用 0. 85%无菌生理盐水淋洗桃软腐菌斜面,收集淋
洗液,经脱脂棉过滤,得桃软腐菌孢子悬液(孢子浓度
约为 106·mL - 1),备用。
1. 2. 2 抗菌肽制备 按文献[9]进行色谱制备。 过
程:取斜面菌种 1 环到 BPY 种子培养基中,37℃、160r
·min - 1,摇床培养 18h 后, 按照 3. 0%的接种量接入
装有 100 mL Landy培养基的 500 mL 三角瓶中,28 ℃、
160r·min - 1,发酵培养 32h。 将发酵液在 4 ℃下 8000r
·min - 1离心 l5min,去菌体得上清液。 上清液用 6.
0mo1·L - 1 HCl 调 pH 值为 2. 5,4 ℃下沉淀 1h,然后
以 10000r·min - 1的转速低温离心 15 min,收集沉淀
物,用 70%甲醇溶解提取 3 次。 将收集提取液 pH 值
调为中性, 旋转蒸发除去甲醇后真空冷冻干燥得到抗
菌粗提物。 抗菌粗提物用甲醇溶解,经 0. 45 μm 有机
滤膜过滤后,以 0. 5 mL 体积上样于 70%甲醇充分平
衡过的 Sephadex LH - 20(1cm × 85cm)柱,用 70%甲
醇作为流动相洗脱,流速为 0. 3mL·min - 1,检测波长
230nm,每 6min 收集 1 管。 按照洗脱曲线合并收集
液, 真空浓缩及冷冻干燥后得到分离级分 4;采用 LC
-6AD半制备液相色谱仪对级分 4 进行分离纯化,柱
温 25 ℃,以乙腈 /水(0. 1%三氟乙酸)为流动相,进样
量为 150μL,流速 4mL·min - 1,检测波长 230nm,按色
谱峰收集洗脱液,真空冷冻干燥后得到抑制桃软腐菌
抗菌肽组分Ⅴ,备用。
1. 2. 3 抗菌肽对桃软腐菌作用机理研究 最低抑菌
浓度 (MIC)的测定:将融化的 PDA 培养基分装于
20mL试管中,每支试管装 15mL培养基,于 121℃灭菌
15min,温度降至 45 ~ 50℃时,倒平板,同时向其加入
抗菌肽,制备抗菌肽浓度分别为 50、75 μg·mL - 1、100
μg·mL - 1、125 μg·mL - 1、150 μg·mL - 1、175 μg·
mL - 1、200 μg·mL - 1、225 μg·mL - 1、250 μg·mL - 1的
PDA平板。 接种 0. 1mL孢子悬液于上述平板中,涂布
均匀,于 28℃恒温培养箱中培养 72h,观察各平板上桃
软腐菌生长情况,以确定抗菌肽的 MIC。 以添加不含
抗菌肽的甲醇平板作对照。 讯验设 3 个平行。
抗菌肽对桃软腐菌孢子显微结构的影响:向 9mL
新鲜孢子悬液中加入 1mL抗菌肽溶液(浓度为 2 mg·
mL - 1),28℃、150 r·min - 1震荡孵化 3h 后取样,以加
入 1mL甲醇的为对照组。 扫描电镜和透射电镜样品
的制备和观察参照文献进行[10]进行。
抗菌肽对桃软腐菌琥珀酸脱氢酶( SDH)和苹果
酸脱氢酶(MDH)活性的影响:酶液的制备:参照文献
[9]进行;按照试剂盒说明书进行 SDH 和 MDH 酶活
性测定,以每 1min 吸光度值降低 0. 01 为一个酶活力
单位。
抗菌肽对桃软腐菌利用营养物质的影响:将 0.
1mL桃软腐菌孢子悬液接种到 PDB 培养基中进行液
体培养,设 4 组:A组,对照组,不添加抗菌肽;B 组,接
入孢子的同时添加抗菌肽;C 组,培养 24h 加入抗菌
肽;第四组,培养 48h加入抗菌肽。 抗菌肽的终浓度为
200μg·mL - 1。 于 28℃、140 r·min - 1摇床中培养
72h,按照试验设计取样,5000r·min - 1离心 15min
(4℃),测定上清液中总糖和蛋白质的含量。 试验设 3
个平行,以平均值报告结果。
1. 2. 4 测定方法 采用 3,5 -二硝基水杨酸比色法
测定总糖的含量;采用考马斯亮蓝 G - 250 比色法测
定蛋白质含量。
2 结果与分析
2. 1 最低抑菌浓度
在最低抑菌浓度测定研究中,当抗菌肽浓度在 50
~ 175μg·mL - 1时,PDA 平板中可见有桃软腐菌菌落
生长,且抗菌肽浓度越低,菌落越多、越大。 当抗菌肽
浓度等于或者高于 175μg·mL - 1时,均未见有桃软腐
菌落的形成。 因此,该抗菌肽对桃软腐菌的 MIC 为
175μg·mL - 1。
2. 2 抗菌肽对桃软腐菌孢子萌发显微结构的影响
图 1 为抗菌肽对桃软腐菌孢子萌发显微结构的影
响结果。 与对照组(图 1 - A)相比,扫描电镜观察到
抗菌肽处理组孢子形态明显变大,表面褶皱多、粗糙
(图 1 - B)。 透射电镜观察到对照组(图 2 - A)孢子
壁规则、完整、光滑,而抗菌肽处理组(图 2 - B)孢子壁
则变得薄而弯曲、模糊不整、部分孢壁缺失,还出现核
区消失、内容物泄漏,折光性变差,细胞器界限模糊。
在观察的 100 多张电镜照片中,均表现出了上述特征,
表明抗菌肽对桃软腐菌孢子壁的破环是其抑制机理之
一。
2. 3 抗菌肽对琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶活性的
影响
表 1 为抗菌肽对桃软腐菌 SDH和 MDH活性的影
响结果。 从表 1 可知,与对照相比,当抗菌肽浓度分别
为 200 μg·mL - 1、250 μg·mL - 1、300 μg·mL - 1时,桃
软腐菌中 SDH比活力分别降低了 39. 93% 、54. 96% 、
8401
6 期 B. Subtilis Y -6 产抗菌肽对桃软腐菌的抑制机理研究
注:A为对照组孢子,B为利用 200μg·mL - 1抗菌肽处理
3 h后的试验组孢子。
Note:A was spore of control group, B was spore of test group
treated by 200 μg·mL - 1 of antimicrobial peptide at 3h.
图 1 抗菌肽对桃软腐菌孢子显微结构的影响
Fig. 1 Effect of antimicrobial peptide on Rhizopus
stolonifer spores by scanning electron microscope
表 1 抗菌肽对桃软腐菌 SDH和MDH活性的影响
Table 1 Effect of antimicrobial peptide on activity
of SDH and MDH in Rhizopus stolonifer
试验组
Tested group /
(μg·mL - 1)
酶比活力
Enzyme specific activity / (U·min - 1·mg - 1)
SDH MDH
CK 11. 57 ± 0. 32 15. 46 ± 0. 31
200 ug·mL - 1 6. 95 ± 0. 46 12. 92 ± 037
250 ug·mL - 1 5. 21 ± 0. 38 7. 71 ± 0. 43
300 ug·mL - 1 3. 01 ± 0. 12 2. 66 ± 0. 15
73. 98% , MDH 分别降低了 16. 43% 、50. 12% 、82.
79% ,表明抗菌肽对 SDH 和 MDH 的活性均有抑制作
用,且呈现良好的量 -效关系。
2. 4 抗菌肽对桃软腐菌利用营养物质的影响
图 3 是抗菌肽对桃软腐菌总糖利用率的影响结
果。 由图 3 可知,随着培养时间延长,对照组培养基中
总糖含量逐渐降低,其利用率逐渐增加。 而加入抗菌
肽的培养基中,桃软腐菌对糖的利用受到抑制。 在接
种孢子的同时加入抗菌肽,桃软腐菌对糖的利用率最
低;24 和 48h时加入抗菌肽,糖的利用受到抑制,且越
晚加入,受到的抑制作用减弱。 在加入抗菌肽的培养
基中,48h后,糖的含量增加,这可能是由于菌体溶解
死亡,菌丝体中的糖转移至培养基中所致。 抗菌肽对
桃软腐菌利用蛋白质(图 4)与糖的利用规律基本一
致。 这些结果表明,抗菌肽可能抑制桃软腐菌利用糖
和蛋白质的酶的活性或抑制了这些酶的生物合成。
注:A为对照组孢子,B为利用 200 μg·mL - 1抗菌肽处理 3 h
后的试验组孢子。
Note:A was spore of control group, B was spore of test group
treated by 200 μg·mL - 1 of antimicrobial peptide at 3h.
图 2 抗菌肽对桃软腐菌孢子显微结构的影响
Fig. 2 Effect of antimicrobial peptide on Rhizopus
stolonifer spores by transmission electron microscope
图 3 抗菌肽对桃软腐菌总糖利用率的影响
Fig. 3 Effect of antimicrobial peptide on
utilizing total sugar by Rhizopus stolonifer
3 讨论
SDH 和 MDH 是三羧酸循环和细胞能量代谢中的
重要酶类,其活性变化可反应细胞的能量代谢状
况[12 - 13]。 本研究表明,该抗菌肽对桃软腐菌中的
SDH和 MDH活性均有抑制作用,这与枯草芽孢杆菌
抗菌肽抑制点青霉[11]、鱼精蛋白抑制黑曲霉[12]、大黄
素[13]和大豆异黄酮[14]抑制金黄色葡萄球菌[13]结果一
9401
核 农 学 报 28 卷
图 4 抗菌肽对桃软腐菌蛋白质利用率的影响
Fig. 4 Effect of antimicrobial peptide on utilizing
total protein by Rhizopus stolonifer
致。 这可能是抗菌肽与 SDH 和 MDH 结合,导致酶分
子结构发生变化,使酶的活性降低,从而导致菌体
ATP 和 NADH 的合成受阻,最终抑制其呼吸代谢系
统,使菌体死亡[15 - 18]。
本文初步研究了 B. subtilis Y - 6 产抗菌肽对桃软
腐菌的体外抑菌机理。 枯草芽孢 Y - 6 抑制桃软腐菌
的多肽为 Pal - Glu - Orn - Tyr - Thr - Glu - Ala - Pro
- Gln - Tyr - Ile,属于 Fengycin。 Fengycin是非核糖体
合成的抗菌脂肽,主要能够抑制丝状真菌生长[16 - 17]。
本研究表明,该抗菌肽对桃软腐菌表现了较强抑制作
用,且对孢子壁有破坏和溶解能力,这与 Deleu 等[18]
和黄现青等[11]研究结果一致。 其作用靶点和过程有
待于进一步分析和研究。
4 结论
B. subtilis Y -6 抗菌肽对桃软腐菌有抑制作用,其
MIC为 175μg·mL - 1。 该抗菌肽对桃软腐菌孢子壁有
破环和溶解作用。 该抗菌肽可降低桃软腐菌 SDH 和
MDH的活性,抑制桃软腐菌的呼吸代谢或利用营养物
质的酶的生物合成。
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0501
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2014,28(6):1047 ~ 1051
Study on Inhibition Mechanism of Antimicrobial Peptide
Producing by B. Subtilis Y - 6 on Rhizopus stolonifer
YUAN Yong⁃jun WANG Wu QI Xiang⁃yang
(College of Biological & Environmental Science,Zhejiang Wanli University,Ningbo,Zhejiang 315100)
Abstract:Effect of antimicrobial peptide producing by Bacillus subtilis Y - 6 on inhibition mechanism of Rhizopus
stolonifer was preliminarily studied in this paper. The inhibition activity of the peptide to Rhizopus stolonifer was studied
by PDA plate, and the effects of the peptide on the activities of succinate dehydrogenase ( SDH) and mannitol
dehydrogenase (MDH) and spore germination of Rhizopus stolonifer were also investigated by SEM and TEM, and then
the effects of the peptide on initialization of sugar and protein in the culture medium by Rhizopus stolonifer was studied.
The results showed that Rhizopus stolonifer was very sensitive to the peptide, which the minimum inhibitory concentration
was 175 ug·mL - 1, which spore walls of Rhizopus stolonifer were broken by the peptide. Activities of SDH and MDH in
Rhizopus stolonifer were inhibited markedly by the peptide. In addition, the adsorption of nutrition substance for the
fungi was restrained or stopped in the presence of the peptide. These results indicated the main inhibition mechanism of
the peptide is to broken its spore cell, inhibit respiratory metabolism and biosynthesis of enzyme utilizing nutrients for
Rhizopus stolonifer.
Key words:Bacillus subtilis; Antimicrobial Peptide; Rhizopus stolonifer; Inhibition Mechanism
1501