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Isolation and Identification of Antagonistic Actinomycetes and Their Application in the Biocontrol of Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum

黄瓜枯萎病拮抗放线菌筛选及其生防作用鉴定



全 文 :园 艺 学 报 2012,39(6):1123–1130 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2012–02–20;修回日期:2012–04–16
基金项目:国家科技支撑计划项目(2008BADA5B06-1);浙江省重大科技计划项目(2006C12032,2004C12015);浙江省公益技术研
究项目(2010C32063);杭州市科技计划项目(20101032B27,20110232B04);浙江省科技创新团队项目(2009R500273);中国计量学院科
研启动项目(000329)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:yxp@cjlu.edu.cn;Tel:0571-86836006)
黄瓜枯萎病拮抗放线菌筛选及其生防作用鉴定
刘金秀,马 正,申屠旭萍,于 冰,俞晓平*
(中国计量学院生命科学学院,浙江省生物计量及检验检疫技术重点实验室,杭州 310018)
摘 要:通过高效筛选法从不同环境采集的土样中分离出 44 株对黄瓜枯萎病菌有拮抗作用的菌株,
通过平板对峙法初筛和复筛得到一株具有较高拮抗活性的放线菌 XF-7。研究了菌株 XF-7 发酵液对黄瓜
枯萎病病原菌孢子萌发、菌丝生长及黄瓜种子发芽的影响,以及对苗期枯萎病的生防效果。结果表明:
菌株 XF-7 发酵液对黄瓜枯萎病菌的菌丝生长及孢子萌发均有明显的抑制作用,可促进黄瓜种子发芽,且
对黄瓜苗期枯萎病的防治效果显著,防效达 79.57%。经 16S rDNA 序列分析,发现菌株 XF-7 与毒三素链
霉菌(Streptomyces toxytricini)的 16S rDNA 序列同源性达 100%。结合形态特征和生理生化特性,将菌
株 XF-7 鉴定并命名为 Streptomyces toxytricini XF-7,在 GenBank 中该菌株的序列登录号为 JN315670。
关键词:黄瓜;枯萎病;拮抗放线菌;菌株鉴定;生防作用;毒三素链霉菌
中图分类号:S 642.2 文献标识码:A 文章编号:0513-353X(2012)06-1123-08

Isolation and Identification of Antagonistic Actinomycetes and Their
Application in the Biocontrol of Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum
LIU Jin-xiu,MA Zheng,SHENTU Xu-ping,YU Bing,and YU Xiao-ping*
(College of Life Sciences,China Jiliang University,Zhejiang Provincial Key Laboratory of Biometrology and Inspection &
Quarantine,Hangzhou 310018,China)
Abstract:To obtain antagonistic actinomycetes against plant pathogen,Fusarium oxysporum f. sp.
cucumerinum,about 44 strains of actinomycetes with antagonistic activity were isolated from various soil
samples. Through the primary and secondary screening,the strain XF-7 showed the most efficient
antagonistic activity among all tested strains. Moreover,the effects of fermentation broth of strain XF-7 on
mycelium growth,spore germination of F. oxysporum f. sp. cucumerinum,seed germination of cucumber
were tested,and the clay-pot experiments on the biocontrol effects of fermentation broth on seedling
fusarium wilt were conducted. The results indicated that the fermented broth of strain XF-7 had a
significant inhibition on the mycelium growth and spore germination of plant pathogen,and had a
stimulative effect on seed germination of cucumber,the control efficacy against seedling fusarium wilt of
cucumber was significantly up to 79.57% as compared to the control. The 16S rDNA sequence of strain
XF-7 shared 100% homology with Streptomyces toxytricini,strain XF-7 was morphologically and
molecularly identified and named as S. toxytricini XF-7,with GenBank accession number JN315670.

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Key words:cucumber;Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum;antagonistic actinomycetes;
identification;biocontrol;Streptomyces toxytricini

黄瓜枯萎病是由尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum)黄瓜专化型引起的一类侵
害黄瓜植株维管束的土传病害。近年来黄瓜枯萎病的发生加重,一般可导致黄瓜产量减少 10% ~
20%,严重时达 30%以上(祁之秋 等,2009)。生物农药具有高效,对环境友好,不易产生抗药性
等优点越来越受到重视(Ansari et al.,2012)。放线菌(Actinomycetes)是一类具有重要价值的微生
物,易产生抗病原菌成分等生物活性物质,已成为生物农药开发的主要来源(Loqman et al.,2009;
Shimizu et al.,2009)。同时放线菌作为生防菌也可促进作物生长和产量提高(Berg,2009;Nimnoi
et al.,2010;王桂莲 等,2011)。本研究中以从浙江西溪湿地、山东盐碱地、山东胜利油田、黄河
下游河床及海南岛沙地等不同生态环境采集的土样作为筛选放线菌样本,筛选出多株对黄瓜枯萎病
病原菌具有良好拮抗作用的放线菌,对其中一株高效菌株 XF-7 进行了分类鉴定,并研究了其发酵
液对黄瓜枯萎病菌孢子萌发、菌丝生长、黄瓜种子发芽的影响及对苗期枯萎病的生防效果。
1 材料与方法
1.1 试验菌株及培养基
供试病原菌:黄瓜枯萎病病原菌(Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum)、黄瓜立枯丝核菌
(Rhizoctonia solani Kühn)由中国计量学院生物安全与食品科学研究所保藏。
培养基:高氏一号培养基用于放线菌的分离;PDA、PD 培养基用于拮抗放线菌的筛选和培养;
发酵培养基:含马铃薯 200(g · L-1),葡萄糖 20,NaCl 0.5,KNO3 1,MgSO4 0.5,K2HPO4 0.5。
土样:所筛菌株的土样为 2010 年 8—10 月于浙江西溪湿地、山东盐碱地、山东胜利油田、黄
河下游河床及海南岛沙地采集。采样过程为去掉表层土,采集深度为 10 ~ 15 cm 的土样。
1.2 拮抗放线菌的筛选
将采集的土样采用平板稀释法分离放线菌,分离培养基中加入 20 μg · mL-1 重铬酸钾。将长出的
放线菌分别点种于混有黄瓜枯萎病原菌孢子悬液(1 × 106 cfu · mL-1)的 PDA 平板上,通过观察抑
菌圈大小,挑选抑菌圈较明显的菌株进入复筛。
复筛采用平板对峙法(方中达,1998)对初筛的放线菌进行抑菌活性测定,重复 3 次。根据结
果确定抑菌活性最强的菌株。抑菌率(%)=(1–处理菌落生长半径/对照菌落生长半径)× 100。
1.3 菌株 XF-7 发酵滤液对黄瓜枯萎病病原菌菌丝生长的影响
将 XF-7 接种到发酵培养基中,28 ℃、180 r · min-1 摇床培养 96 h 后,7 800 r · min-1 离心 7 min,
再用滤纸过滤得发酵滤液。如果用于菌丝生长抑制试验,还需用孔径 0.22 µm 微孔滤膜过滤除菌。
将制得的发酵滤液稀释成 2-1 ~ 2-7 的浓度梯度,然后按 1︰9 的比例混入 50 ℃的 PDA 培养基中
制备平板,同时设加无菌水的对照。平板凝固后在中央接种直径 4 mm 的黄瓜枯萎病原菌的菌饼。
待对照菌落直径长至平板直径的 2/3 左右时统计结果。每处理重复 3 次。采用十字交叉法,测定菌
落的直径。菌丝生长抑制率(%)= [(对照菌落直径–处理菌落直径)/(对照菌落直径–4)] × 100。
1.4 孢子萌发试验
将发酵滤液稀释成 2-1 ~ 2-9 的浓度梯度,取病原菌孢子悬浮液 25 μL 滴加到凹玻片上再分别滴加
不同浓度的发酵滤液 25 μL,每处理重复 3 次,以加无菌水的作对照。于室温(28 ℃)保湿条件下
6 期 刘金秀等:黄瓜枯萎病拮抗放线菌筛选及其生防作用鉴定 1125

培养,24 h 后观察病原菌孢子生长情况并统计孢子萌发抑制率。
1.5 黄瓜种子发芽试验
挑选饱满均匀的黄瓜种子,用3%次氯酸钠消毒10 min,无菌水洗净,25 ℃下催芽24 h后备用。
制备放线菌XF-7的发酵滤液。将黄瓜种子在菌株XF-7发酵滤液中浸泡30 min,置于培养皿中的灭菌
滤纸上,25 ℃培养48 h,计算黄瓜种子的发芽率,测量胚芽、胚根长度。以无菌水浸泡的黄瓜种子
为对照。每次处理30粒,3次重复。具体参照张璐等(2010)的方法。
1.6 XF-7 发酵液对黄瓜枯萎病的生防效果
预防试验:在钵栽黄瓜长出两片真叶时做如下处理。(1)用 XF-7 的发酵滤液灌根 25 mL;(2)
清水灌根 25 mL 作为阴性对照;(3)30%乙蒜素 1 000 倍稀释液灌根 25 mL 作为阳性对照。2 d 后采
用根部切伤接种法接种黄瓜枯萎病病原菌(方中达,1998),于灌药后 7、14 和 21 d 统计预防效果。
治疗试验:先对黄瓜幼苗接种枯萎病病原菌,在接种病原菌 7 d 后做如下处理:(1)用 XF-7
的发酵滤液灌根 25 mL;(2)清水灌根 25 mL 做为阴性对照;(3)30%乙蒜素 1000 倍稀释液灌根
25 mL,作为阳性对照。再过 7 d 第 1 次统计病情指数,14 d 第 2 次统计病情指数,21 d 第 3 次统计
病情指数。分别在第 1 次和第 2 次病情统计结束后及时进行第 2 次和第 3 次灌根处理。
每处理 10 钵,3 次重复。按时统计幼苗发病情况。按病情分级,计算病情指数和防效(苗则彦
等,2009)。病情指数 = [∑(各级病株数 × 对应各级值)/(调查总株数 × 发病最高级值)] ×
100。相对防效(%)= [(对照病情指数–处理病情指数)/对照病情指数] × 100。
1.7 拮抗放线菌的鉴定
菌体形态和菌落形状观察参照周德庆(2002)的方法;菌株生理生化反应参照中国科学院微生
物研究所放线菌分类组(1975)及 Buchanan 和 Gibbons(1984)的方法。
菌株经 PD 培养基 28 ℃下振荡培养至对数生长期时,8 000 r · min-1 离心 2 min,收集菌体。参
照 Sambrook & Russell(2001)的方法提取放线菌基因组 DNA。PCR 所用正向引物为 27F:5′-AGAG
TTTGATCCTGGCTCAG-3′,反向引物为 1495R:5′-CTACGGCTACCTTGTTACGA-3′。PCR 扩增体
系为(50 μL):PCR Reaction Mix 25 μL,引物 F(100 μmol · L-1)1 μL,引物 R(100 μmol · L-1)1
μL,模板 DNA(10 ng · μL-1)1 μL,Taq DNA 聚合酶(5 U · μL-1)1 μL,ddH2O 21 μL。95 ℃预变
性 5 min; 94 ℃变性 1 min,56 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 1.5 min,30 个循环;72 ℃延伸 10 min。PCR
纯化产物提交上海桑尼生物科技有限公司测序。将测得的 16S rDNA 序列输入 GenBank,应用 Blast
软件进行同源性搜索,并用 MEGA 4 软件进行同源性比较,采用 Bootstrap 构建系统发育树。
2 结果与分析
2.1 拮抗放线菌的筛选
从土壤中共分离到放线菌 315 株,其中对黄瓜枯萎病菌有拮抗作用的 44 株。图 1 左图显示的
是筛选方法,通过点种,观察抑菌圈大小来筛选拮抗菌株。图 1 右图 A 为所筛出的效果较好的拮抗
放线菌的平板对峙效果,所圈菌株为 XF-7;B 为同时接种的黄瓜枯萎病原菌对照。比较 A 和 B 可
以看出通过此方法筛出的拮抗放线菌有较好的抑菌效果。平板对峙试验结果如表 1 显示,DC-1、
XF-7、H-22 对黄瓜枯萎病原菌的抑制效果较好。又同时观察了这几株病原菌对黄瓜立枯丝核菌
(Rhizoctonia solani Kühn)和水稻纹枯病原菌(R. solani)的抑菌效果,综合比较发现菌株 XF-7 对
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图 2 菌丝生长抑制试验
Fig. 2 The inhibition of mycelium growth
表 1 不同筛选菌株对黄瓜枯萎病菌的抑菌效果
Table 1 The inhibition effects of several isolates on Fusarium
oxysporum f. sp. cucumerinum by plate
confrontation experiment
菌落半径/mm
Radius of colonies 拮抗菌株 Antibacterial
strains 处理
Processing
对照
Control
抑菌率/%
Bacteriostatic
rate
DC-1 17 35 51.4
XB-2 20 35 42.9
XB-7 18 35 48.6
XB-18 18 35 48.6
XC-6 20 35 42.9
XF-7 14 35 60.0
H-22 15 35 57.1
3 种病原菌的拮抗作用均最为明显,因此选择 XF-7 作为后续试验的菌株。


图 1 拮抗放线菌的筛选(左)和对黄瓜枯萎病菌的抑菌效果(右)
Fig. 1 The isolation of antagonistic actinomycetes against Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum(left)and plate
confrontation effect(right A)and control(right B)
2.2 XF-7 发酵液对黄瓜枯萎病原菌菌丝生长和孢子萌发的影响
XF-7的发酵滤液对黄瓜枯萎病原菌菌丝生长有明显的抑制作用,由图2可以看出,稀释10倍的
发酵液,能完全抑制黄瓜枯萎病原菌的菌丝生长,稀释20倍时抑制率仍在80%以上。
菌株 XF-7 发酵液能强烈抑制黄瓜枯萎病菌孢子的萌发,用其处理 24 h 后,黄瓜枯萎病菌孢子
没有发生任何萌发(图 3,A);用清水处理 24 h 后,黄瓜枯萎病菌孢子能萌发成菌丝体(图 3,B)。

图 3 菌株 XF-7 发酵液对黄瓜枯萎病菌孢子萌发的影响
A:发酵液处理;B:清水对照。
Fig. 3 The effects of XF-7 strain fermentation broth on spore germination
A:XF-7 fermented liquid;B:Water control.
6 期 刘金秀等:黄瓜枯萎病拮抗放线菌筛选及其生防作用鉴定 1127

图 4 XF-7 对黄瓜枯萎病原菌孢子萌发的影响
Fig. 4 The influence of XF-7 strain fermentation broth on spore
germination
图 5 菌株 XF-7 孢子的电镜形态观察
Fig. 5 The morphological characteristics of the strain XF-7
spore by electron microscope
由图 4 可以看到,当 XF-7 的发酵液稀释到
32 倍时,对黄瓜枯萎病原菌的孢子萌发抑制率
仍在 99%以上,表明 XF-7 的发酵代谢产物能强
烈抑制黄瓜枯萎病原菌孢子的萌发。
2.3 XF-7 发酵液对黄瓜种子萌发和苗期枯萎
病的影响
从表 2 中可以看出,与对照相比,菌株 XF-7
的发酵液对黄瓜种子的萌发没有负面影响。经
XF-7 发酵液处理的种子发芽率与对照并无显
著性差异,但胚芽长度与胚根长度大于对照,
说明 XF-7 发酵液有一定的促生作用。

表 2 XF-7 菌株发酵液对黄瓜种子发芽的影响
Table 2 Effects of XF-7 strain fermentation broth on cucumber seed germination
处理 Treatment 种子发芽率/% Germination rate 胚芽长度/mm Plumule length 胚根长度/mm Radicle length
对照 Control 93.3 a 9.93 b 31.96 b
XF-7 94.4 a 10.43 a 33.14 a
注:小写字母表示P < 0.05下的差异显著性。
Note:The different small letters after values show significant difference at P < 0. 05.
表 3 显示,菌株 XF-7 的发酵液对黄瓜枯萎病的预防效果和治疗效果,7 d 时分别为 96.93%和
95.80%,14 d 时为 90.33%和 89.93%,预防效果好于治疗效果,而且与常规的 30%乙蒜素杀菌剂的
效果并无显著性差异。
表 3 XF-7 发酵液对黄瓜枯萎病的防效
Table 3 The efficacy of XF-7 strain fermentation broth in against the R. solani in potted cucumber plant /%
预防效果 Protective effect 治疗作用 Therapeutic effect 处理
Treatment 7 d 14 d 21 d 7 d 14 d 21 d
XF-7 96.93 a (a) 90.33 b (a) 81.23 c(a) 95.80 a (a) 89.93 b (a) 79.57 c (a)
30%乙蒜素 1 000 倍液
30% ethylicin 1 000 times liquid
97.13 a (a) 90.90 b (a) 84.87 c (a) 94.70 a (a) 88.70 b (a) 82.60 c (a)
注:同列数据后括号外和括号内不同小写字母分别表示相同处理不同天数间和相同天数不同处理间在P < 0.05水平上差异显著。
Note:Means followed by different lowercase letters out of blanket or in blanket are significantly different between different days for the same
treatment or different treatments at the same day at P < 0.05.

2.4 拮抗放线菌 XF-7 的鉴定
2.4.1 形态特征与生理生化特性
菌株 XF-7 的气生菌丝在高氏一号培养基上
初为白色,3 d 后变为淡粉色,在光学显微镜下
观察气生菌丝呈长直或波曲状,多分支;基内菌
丝无横隔,不断裂。孢子丝呈长直形,成熟的孢
子成串珠状,孢子在电子显微镜下的形态如图
5。孢子表面光滑并呈柱状。
将菌株 XF-7 接种在不同的培养基上,其形
态特征变化较大(表 4),在葡萄糖天门冬素琼
脂培养基上的菌落形态类似细菌,且不产生气生
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图 6 菌株 XF-7 菌株的 PCR 产物电泳图
Fig. 6 Electrophoresis of PCR amplification
16S rDNA of strain XF-7
菌丝,而在高氏一号和淀粉琼脂培养基上生长非常好,在上述这些培养基上不产生色素。

表 4 XF-7 在不同培养基上的培养特征
Table 4 Cultural characteristics of strain XF-7 on different media
培养基
Medium
生长状况
Growth status
气生菌丝
Aerial mycelium
基内菌丝
Substrate mycelium
可溶性色素
Soluble pigment
察氏琼脂 Czapek’s agar 一般 General 淡粉色 Pale pink 乳白色 Lvory-white 无 None
高氏一号 Cause’s synthetic agar 非常好 Very good 浅粉色 Light pink 黄色 Yellow 无 None
淀粉琼脂 Starch agar 非常好 Very good 粉色 Pink 微黄 Light yellow 无 None
葡萄糖天门冬素琼脂 Glucose asparagine agar 良好 Good 无 None 微黄 Light yellow 无 None
马铃薯块 Potato patch 良好 Good 咖啡褐 Coffee Brown 褐色 Brown 褐色 Brown

生理生化特性:菌株XF-7能使明胶液化,牛奶凝固并胨化,淀粉水解;在纤维素上不生长;可
产生H2S;能利用葡萄糖、果糖、甘露醇,不能利用木糖、阿拉伯糖、鼠李糖、棉籽糖、肌醇及蔗糖。
菌株 XF-7 在不同培养基上的形态特征分析,对照《链霉菌鉴定手册》(中国科学院微生物研
究所放线菌分类组,1975)可将该菌株初步鉴定为链霉菌粉红孢 Roseosporus 类群中的玫瑰 Roseus
亚群。根据菌株的生理生化特性,参照《伯杰细菌鉴定手册》(Buchanan & Gibbons,1984),发
现与毒三素链霉菌(Streptomyces toxytricini)极为相似。
2.4.2 16S rDNA序列分析
以菌株XF-7的基因组为模板,经PCR扩增,
结果如图 6。菌株 XF-7 获得大小约 1.5 kb 的特
异性片段,采用双向测定法测得菌株XF-7的16S
rDNA 序列全长为 1 416 bp,GenBank 中的序列
登录号为 JN315670。
经 Blast 同源序列检索发现,在 16S rDNA
亲缘关系相近前 50 个序列中,全部为链霉菌属
菌株,XF-7 与它们均有较高的同源性,其中与
毒三素链霉菌(Streptomyces toxytricini)的同源
性最高,达 100%。选取 11 个典型菌株的 16S rDNA 序列用 MEGA 4 软件进行系统进化分析,结果
如图 7。菌株 XF-7 与毒三素链霉菌(S. toxytricini)单独构成一个分支,反映出两者的亲缘关系最近。
结合形态和生理生化特性,最终将菌株命名为 Streptomyces toxytricini XF-7。

图 7 菌株 XF-7 的系统发育树状图
Fig. 7 Phylogenetic tree based on the 16S rDNA of strain XF-7
6 期 刘金秀等:黄瓜枯萎病拮抗放线菌筛选及其生防作用鉴定 1129

3 讨论
有研究表明植物提取物中的活性成分对黄瓜枯萎病原菌有一定的抑制作用,但植物有效成分提
取操作步骤多,效率低(马丽娟 等,2008;郎剑锋 等,2009)。目前报道较多的仍是以筛选拮抗
微生物为主要手段防治病害的发生。张璐等(2010)从植物根系土壤中筛选到芽孢杆菌 DS-1 对黄
瓜枯萎病原菌有显著的生防效果。宋以星等(2011)从蔬菜种植区筛选出一株对黄瓜枯萎病病原菌
有强烈抑制作用的芽孢杆菌 B1。
拮抗放线菌的筛选已经成为生物防治植物病害的重要措施之一(何建清 等,2010;秦涵淳 等,
2010)。目前拮抗放线菌的筛选一般是在分离得到放线菌经纯培养后,采用平板对峙法测定每个菌
株的拮抗活性。这种方法工作量大,耗时耗力,且效果并不显著(安德荣 等,2002;潘荣光和刘明
霞,2008)。本研究中尝试了采用混有黄瓜枯萎病原菌孢子悬液的平板作为指示平板,在筛选出放线
菌后通过观察指示平板上抑菌圈的大小,直接筛选出具有明显拮抗活性的放线菌,再进行纯培养。
试验证明此筛选方法较为简便,效率较高,菌株 XF-7 正是利用该方法筛选到的一株高效菌株。
经 16S rDNA 序列分析鉴定发现,XF-7 与毒三素链霉菌(Streptomyces toxytricini)的同源性达
100%,与生理生化鉴定结果相吻合,最终将其命名为 Streptomyces toxytricini XF-7。S. toxytricini 是
利普司他汀(Lipstatin)工业化生产菌株(胡为民 等,2007;Atanas et al.,2010),但其在生物防
治领域的应用还未见报道。有研究发现 S. toxytricini能分泌胞外降解酶从而促使菌丝破裂(Patil et al.,
2010),这可能是XF-7能显著抑制黄瓜枯萎病原菌孢子的萌发及其菌丝生长的主要原因。S. toxytricini
XF-7 的发酵产物对种子发芽没有负面影响,提高黄瓜幼苗对枯萎病的抗性,因此有较好的生防应用
潜力。S. toxytricini XF-7 发酵液中主要的抑菌成分及抑菌机理还有待进一步研究。

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