胶孢炭疽菌BWH-1在制备除草剂中的应用
技术领域
本发明涉及一种胶孢炭疽菌BWH-1在制备除草剂中的应用。
背景技术
杂草是干扰农业作物正常生长的有害生物,是农业生产与生态环境和谐发展的一大制约因素,严重影响农作物的高产与稳产,一些恶性杂草还能引起或传播病害,影响着人畜的健康,影响农业大机械化生产的开展和社会工程建设的正常实施。化学除草剂的研发与应用有效地控制了草害的恶化,为农作物的高产、农业病虫草害的控制提供了必要的保障,促进了农业现代化的快速发展。但是化学除草剂的过量使用,其弊端逐渐暴露与加剧,严重破坏了生态环境的平衡,带来了一系列环境安全问题如水土污染、杂草抗药性、农药残留及对非靶标生物的危害等。随着人们对农产品质量安全的关注、国家对农业生态文明建设的高度重视,研发新型、安全、环保类除草剂成为解决农业杂草与生态环境安全问题的趋势与措施。
植物病原菌除草剂是指在人为控制的环境条件下,利用植物病原菌活体本身寄生杂草或者其产生的具有杀草活性的代谢产物,使目标杂草感染致病、死亡的一类生物源除草剂型。植物病原真菌除草剂与传统的化学除草剂相比,其病原菌种类繁多、资源丰富,对非靶标动、植物安全性高,化学结构新型新颖,降解快且不易产生拮抗杂草。同时,植物病原真菌除草剂以其致病菌及代谢产物易培养,生产条件易人为控制,经济又高效,在防除杂草方面不会引起“3R”问题,对生态环境无污染、人畜安全等优点越来越受研究者的关注。
CN1284558A中公开了一种胶孢炭疽菌菌株及其用于生物除草的方法,通过将胶孢炭疽菌菌株(QZ-97a)的分生孢子以及菌丝,或者用该菌的分生孢子与常规用量的化学除草剂配合使用,能够有效控制和防治恶性杂草波斯婆婆纳、大婆婆纳、直立婆婆纳和猪殃殃等。
霸王花腐烂病是近年来影响霸王花、火龙果等植物的新生病害,因其病原菌致病能力强,对农业生产的影响甚大。本实验室在前期研究中,从霸王花腐烂病致病植株上分离得到了致病菌胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides)BWH-1,并对BWH-1菌株进行了报道(Ma W J,Yang X,Wang X R,et al.First report of anthracnose disease onyoung stems of Bawanghua(Hylocereus undatus)caused by Colletotrichumgloeosporioides in China.[J].Plant Disease,2014,98(7):991.)。目前将胶孢炭疽菌BWH-1用于杂草防治暂未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种霸王花胶孢炭疽菌BWH-1在制备除草剂中的应用。
本发明所采取的技术方案是:
胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides)BWH-1或其代谢产物在制备除草剂中的应用。
进一步地,胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物的提取方法为:
1)将胶孢炭疽菌BWH-1接入液体培养基中进行液体培养;
2)液体培养完成后,从发酵液中提取得到胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物。
进一步地,液体培养基中碳源为蔗糖,氮源为NaNO3、培养基pH为6~7、培养时间为7~9天、培养温度为24~32℃。
进一步地,液体培养基中添加有质量分数为1%~8%霸王花茎浸汁。
进一步地,使用有机溶剂萃取的方法从发酵液中提取得到胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物。
进一步地,有机溶剂为乙酸乙酯。
一种除草方法,使用杀草活性成分为胶孢炭疽菌(Colletotrichumgloeosporioides)BWH-1或其代谢产物的除草剂除草。
本发明的有益效果是:
本发明中开发了胶孢炭疽菌BWH-1及其代谢产物作为除草剂的新用途,经过验证发现胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物对多种杂草均具有较好的抑制作用。本发明中还对胶孢炭疽菌BWH-1的产毒条件进行了系统地优化,得到了其产毒的最佳条件。
附图说明
图1为不同C源对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图2为不同N源对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图3为培养时间对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图4为培养温度对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图5为培养pH对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图6为接种量对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图7为光照对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图8为装液量对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图9为转速对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图10为外加霸王花茎浸汁对BWH-1菌株生长与产毒的影响;
图11为不同浓度代谢产物对杂草种子萌发的影响;
图12为不同浓度的代谢产物对杂草幼根的抑制作用;
图13为不同浓度的代谢产物对杂草幼茎的抑制作用;
图14为不同浓度的代谢产物对三叶鬼针草根茎生长抑制作用,图中的A、B、C、D、E与F表示:清水对照、0.025、0.1、0.2、0.4mg/mL粗毒素与体积分数为20%丙酮液对照处理;
图15为不同浓度的代谢产物对胜红蓟根茎生长抑制作用,图中的A、B与C、D、E、F表示:清水对照、体积分数为20%丙酮液对照与0.0.1、0.025、0.2、0.4mg/mL粗毒素处理;
图16为不同浓度代谢产物对离体叶片针刺的病症情况,图中(1)、(2)、(3)与(4)分别表示落葵薯、薇甘菊、蟛蜞菊和野芋的针刺病症情况;图中A、B、C、D、E、F与G分别表示清水对照、体积分数为20%丙酮液、0.01、0.05、0.1、0.2、0.4mg/mL的代谢产物溶液处理。
具体实施方式
下面将结合具体实验进一步说明本发明。
本发明中使用的霸王花胶孢炭疽菌BWH-1由发明人从广州市白云区太和镇丰华霸王花种植基地的霸王花腐烂病植株上分离、纯化得到,4℃保存。
本发明中使用的培养基为:
PSA培养基:去皮马铃薯200g,蔗糖20g,琼脂粉15~20g,蒸馏水1000mL,121℃灭菌20min备用。
改良查氏培养基:蔗糖30g,磷酸二氢钾1.0g,硝酸钠2.0g,氯化钾0.5g,MgSO4·7H2O 0.5g,FeSO4 0.01g,蒸馏水1000mL,调pH为6.5~7,121℃灭菌20min备用。
胶孢炭疽菌BWH-1代谢物滤液制备方法:
(1)将胶孢炭疽菌BWH-1转接到PSA培养基上,于28℃培养箱中培养5天,在长势均匀的菌落边缘用打孔器取直径7mm的菌饼两块,接入100mL改良查氏培养液中,28℃振荡培养7天。
(2)将培养好的发酵液过滤除去菌丝体后,置于转速4℃、5500r/min的离心机中离心20min,弃去沉淀物再抽滤,上清液即为胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物滤液,置于4℃低温下保存备用。
一、BWH-1菌株液体培养产毒条件优化
1、培养基对BWH-1菌株生长及产毒的影响
(1)不同碳源对BWH-1菌株生长及产毒的影响
基础培养基为改良查氏培养基。供试碳源有麦芽糖、果糖、乳糖、甘露糖、可溶性淀粉、葡萄糖,以这些碳源分别等量置换基础培养基中的蔗糖。制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
(2)不同氮源对BWH-1菌株生长及产毒的影响
基础培养基为改良查氏培养基。供试氮源有谷氨酸、(NH4)2SO4、酵母提取粉、NH4Cl、蛋白胨、NH4NO3,以这些氮源分别等量置换基础培养液中的NaNO3。同前培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图1、2所示,在基础培养基上更换C源,菌体在C源为麦芽糖与葡萄糖中生长较好,其他C源不适合于BWH-1菌株生长,但菌丝干重量均没有基础C源蔗糖产量多,故蔗糖为BWH-1菌株最适生长C源。从代谢产物滤液对三叶鬼针草根生长的抑制作用可知,
C源为蔗糖时对三叶鬼针草幼根生长抑制作用最高为44.48%,比其他C源培养下的代谢产物滤液抑制作用都高,最适于BWH-1菌株产毒的C源为蔗糖。
N源为NaNO3、蛋白胨与NH4Cl适于菌体生长,其他N源不适于菌生长;从对三叶鬼针草幼根生长抑制作用来看,NaNO3、蛋白胨与NH4NO3对其根生长抑制率分别为44.94%、44.57%和44.52%,均有适于菌体产毒,N为NaNO3时抑制作用最强,可知适于BWH-1菌株产毒的N源相对广泛。
2、培养条件对BWH-1菌株生长及产毒的影响
(1)不同培养时间对BWH-1菌株生长及产毒的影响
取7mm菌饼接入装有100mL、pH为7.0改良查氏培养液的三角瓶(250mL)中,每瓶接入菌饼2块,置于160r/min、28℃恒温摇床中培养,分别在培养2、4、6、7、8、9、11、13d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图3所示,从菌丝生长方面看,菌体生长量随培养时间在变化,总体变化趋势是先剧增后趋于稳定,然后又变小。在培养7~11d,菌丝生长基本趋于稳定状态,在培养9d时菌丝干重达到最大量,后逐渐降低。随着培养时间的加长,BWH-1菌株产生的粗毒素在增加,培养至8d时产毒量达到最高,此时对三叶鬼针草根生长抑制作用最高为45.06%,后降低。培养4d时对其根生长抑制率仅为22.26%,不到培养8d时的一半,可见培养时间对其产毒影响较大。
(2)不同培养温度对BWH-1菌株生长及产毒的影响
取培养好的7mm菌饼接入装有100mL、pH为7.0改良查氏培养液的三角瓶(250mL)中,每瓶接入菌饼2块,分别置于5、10、15、20、24、28、32、35℃摇床中,160r/min培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图4所示,温度对BWH-1菌株生长与产毒影响较大,菌丝干重与产毒都随培养温度变化而变化,总体趋势是由小变大,后又变小。最适BWH-1菌株生长温度为24~32℃,以28℃菌株生长状态最好,测得菌丝干重为10.6g/L;10~35℃之间BWH-1菌株均可产毒,28℃时产毒量达到最高峰,此时对三叶鬼针草幼根生长的抑制作用最高为44.79%。
(3)不同培养pH值对BWH-1菌株生长及产毒的影响
用1mol/L NaOH和1mol/LHCl溶液将培养液pH调至4、5、6、6.5、7、8、9,接入菌饼,置于160r/min、28℃摇床中,培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图5所示,随着培养液pH增大,菌体生长总量也跟着变化,总体趋势为先增后减,在pH为6.5时,菌体生长状态最好,菌丝干重产量最高为10.76g/L。在pH5~7的弱酸条件下,适于菌体产毒,在pH6.5时,产毒达到最高,对三叶鬼针草幼根生长抑制率为48.14%,后随液中pH增大其抑制作用大幅度降低,可见碱性环境下,不利于BWH-1菌株生长与产毒。因此,BWH-1菌株液体发酵培养最佳酸碱度为6.5。
(4)接种量对BWH-1菌株生长及产毒的影响
用打孔器取直径7mm的菌饼1、2、4、6、8、10块,分别接入装有100mL、pH7.0的改良Richard培养液(250mL)中,振荡培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图6所示,接种量直接影响菌体生长与菌体产毒。随着接种量的增多,菌丝量与产毒量先增后减,但不完全同步。在接种量2块时产毒效果最佳,对三叶鬼针草幼根生长抑制作用最强为43.82%;随着接种量再增加(多于2块),菌丝生长量还在增加,但菌体产毒能力却在降低,所以并不是接种量越多产毒效果越好,可能是由于接种量过多(菌体过多),培养液中的营养物质不够完成菌体生长与产毒的需求造成的。
(5)光照对BWH-1菌株生长及产毒毒性的影响15
取直径7mm的菌饼2块,接入装有100mL、pH7.0的改良Richard培养液中,置于连续光照(简称24L)、连续黑暗(简称24D)、12h光照12h黑暗(简称12L/12D)摇床(160r/min)条件下振荡培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图7所示,12h光照12h黑暗条件下最适于菌体生长,其菌体干重量最高为10.23g/L,对三叶鬼针草幼生长根抑制率最高为45.33%,可见全天光照或全天黑暗均不适于BWH-1菌株生长与产毒,12h光照12h黑暗更适合该BWH-1菌株生长与产毒。
(6)装液量对BWH-1菌株生长及产毒的影响
取7mm菌饼2块,接入装有50、75、100、125、150、175mL/250mL的培养液中,28℃振荡培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图8所示,装液量从50~175mL/250mL对BWH-1菌株的生长影响不是很明显,在125mL/250mL时,菌丝干重量最高为10.37g/L;装液量对BWH-1菌株产毒影响较大,总体趋势为先增后减,在100mL/250mL时,最适于菌体产毒,此时对三叶鬼针草幼根抑制最好为43.76%。
(7)转速对BWH-1菌株生长及产毒的影响
用打孔器取2块、7mm的菌饼,接入装有100mL、pH为7.0改良Richard培养液的三角瓶(250mL)中,置于0、60、120、140、160、180、200r/min的恒温摇床中培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。设置3个重复。
测定结果如图9所示,从静止到振荡培养,BWH-1菌株的生长与产毒是在增加的,不同转速下对BWH-1菌株的生长与产毒影响不同。转速为180r/min时菌体生长最好,菌丝干重为10.86g/L;转速为160r/min时菌株产毒最佳,对三叶鬼针草幼根生长抑制作用最强,抑制率为44.51%。
(8)外加霸王花茎浸汁对BWH-1菌株生长及产毒的影响
取直径7mm的菌饼2块,接入装有100mL、pH为7.0改良查氏培养液的三角瓶(250mL)中,添加1.0%、2.5%、5.0%、8.0%、10.0、15.0%、的霸王花茎浸汁液(取12g健康霸王花茎切碎加水煮沸、过滤,定容至1000mL)。置于28℃摇床中振荡培养7d后制备代谢产物滤液,测定其对三叶鬼针草根生长的抑制活性。以0%添加量为CK对照,设置3个重复。
测定结果如图10所示,外加适量的霸王花茎浸汁可刺激BWH-1菌株生长与产毒,在1~8%的添加量时,菌体生长量与对照组相比是增加的,之后随着霸王花茎浸汁添加量的增多,反而抑制了菌体生长而降低,在8%添加量时菌体生长最好,菌丝干重量为11.11g/L;随着霸王花茎浸汁添加量的增加,产毒能力先增后减,5%的添加量时产毒最佳,对三叶鬼针草幼根生长抑制率最高为50.38%,其抑制作用远高于对照组。
根据上述单因素试验结果,选取培养时间、接种量、pH、温度4个因素,进行正交试验,正交设计试验结果见下表,分析可知BWH-1菌株产毒培养条件最佳组合为产毒培养时间为8d,温度为28℃,pH为6.5,接种量为4块/100mL,对该组合于28℃培养8d后的毒素滤液进行生测,结果对三叶鬼针草幼根生长抑制率为53.46%,比优化前对三叶鬼针草幼根生长抑制作用提高了9.85%。
不同因素对BWH-1菌株产毒影响的正交试验结果和极差分析
二、有机溶剂对霸王花胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物的提取效果
在相同的条件下制备胶孢炭疽菌BWH-1代谢物滤液,分别以石油醚、四氯化碳、氯仿和乙酸乙酯为萃取溶剂,等体积与胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物滤液混合,萃取其粗毒素,萃取3次,收集有机相和水相,分别进行旋转蒸发(60℃)得霸王花胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物。针刺法测定代谢产物致病活性。
致病活性测定结果如下表所示:
由上表可知用乙酸乙酯萃取的结果很理想,针刺可形成4.5~6mm的典型椭圆形黄色腐烂病斑,水相基本没有致病性,萃取相对完全。
三、BWH-1菌株代谢产物除草生物活性测定
用等体积的有机溶剂乙酸乙酯与BWH-1菌株代谢产物滤液混合,萃取其粗毒素,萃取3次,收集有机相,进行旋转蒸发(60℃)得浓缩得霸王花胶孢炭疽菌BWH-1代谢产物。将浓缩后所得的代谢产物称重,用少量丙酮溶解后,加入无菌水制成除草生物活性测定母液,再将粗毒素依次配制成0.01、0.025、0.05、0.1、0.2、0.4mg/mL不同浓度的稀释液,以便进行除草生物活性测定。
1、BWH-1菌株代谢产物对杂草种子萌发抑制活性
在培养皿(Φ=9cm)中放入双层滤纸,干热灭菌后备用。取5mL不同浓度的稀释液于滤纸上。先用15%NaClO将供试杂草的种子消毒15min,再用无菌水冲洗数次。选取大小一致、饱满的30粒杂草种子均匀摆放在上述培养皿中,于28℃光照培养箱中培养,以体积分数为20%丙酮液处理为对照,72h后检查种子萌发情况,设3个重复。如果萌发长度超过种子自身长度则按萌发计。按下列公式计算种子萌发抑制率。
测定结果如图11所示,该稀释液对不同杂草种子的萌发抑制作用不同。在0.01mg/mL条件下,对三叶鬼针草、反枝苋和胜红蓟双子叶种子萌发抑制率为11.12%、12.78%和9.75%,在浓度为0.1mg/mL时抑制率分别为50.66%、47.43%和42.68%,在浓度为0.4mg/mL时抑制率分别为80.12%、75.62%和71.96%;对单子叶种子萌发抑制率相对较低,在浓度为0.01mg/mL时,对青葙、稗草和牛筋草种子萌发抑制率分别为6.56%、7.45%和6.51%,在浓度为0.1mg/mL其种子萌发抑制率分别为36.71%、33.24%和26.62%,在浓度为0.4mg/mL处理时对其种子萌发抑制率分别为61.8%、52.97%和49.92%。对其他杂草种子的萌发也有不同程度的抑制作用,浓度越高,抑制效果越明显。对照组对种子萌发没有影响甚小,说明丙酮对粗毒素的活性没有影响。
2、BWH-1菌株代谢产物对杂草幼根、茎生长的抑制
先用浓度为100μg/mL赤霉素5mL进行种子催芽(12~24h),消毒后将种子转入培养皿中,置于28℃光照培养箱培养,直至露白。选取10粒露白种子移至加有3mL改良霍格兰营养液的培养皿中,加入5mL不同浓度的稀释液,以加入5mL的体积分数为20%丙酮液与无菌水处理为对照,设置3个重复,培养7d后查看记录。按下列公式计算根、茎生长抑制率。
BWH-1代谢产物对杂草幼根的生长影响结果统计见图12,作用效果见图14和图15。从图12中可以看出,BWH-1菌株代谢物对杂草种子幼根的生长有抑制作用。代谢产物浓度为0.01mg/mL对三叶鬼针草、车前草和反枝苋幼根抑制率分别为8.91%、9.6%和8.14%,0.1mg/mL时抑制率分别为51.19%、50.8%和44.73%,0.4mg/mL时对其根生长抑制率分别为81.07%、75.12%和75.02%;在代谢产物浓度为0.01mg/mL对稗草、小藜和薇甘菊幼根生长抑制率分别为6.26%、6.6%和6.44%,0.1mg/mL时对其根生长抑制率分别为41.9%、27.8%和37.4%,0.4mg/mL时对其根生长抑制率分别为66.74%、53.22%和54.91%。对其他杂草幼根生长均有不同程度的抑制作用,且毒素浓度较高时,可使根部变色发黑,产生腐烂现象。对照组几乎不抑制杂草根生长。
BWH-1代谢产物对杂草茎的生长影响结果统计见图13,作用效果见图14和图15。从图13中可知,不同的代谢产物浓度对杂草茎的生长抑制效果不同。代谢产物浓度为0.01mg/mL时对三叶鬼针草、反枝苋和车前草茎生长抑制率分别为8.03%、8.43%和13.82%,0.1mg/mL时对其生长抑制率分别为50.04%、50.04%和49.34,0.4mg/mL时对其生长抑制率分别为71.19%、75.17%和72.51%;代谢产物浓度为0.01mg/mL时对胜红蓟、青葙和稗草茎生长抑制率分别为9.92%、7.27%和6.69%,0.1mg/mL时其茎生长抑制率分别为35.77%、34.61%和35.77%,0.4mg/mL时对其茎生长抑制率分别为63.69%、65.6%和61.46%。对其他供试杂草茎的生长均有不同程度的抑制作用,代谢产物的浓度越高,抑制作用越明显。对照组对供试杂草茎的生长影响不明显。
3、BWH-1菌株代谢产物对离体叶片的作用效果(针刺法)
取大小一致、健康完整的供试杂草叶片用70%酒精浸洗1min,用无菌水冲洗3次并晾干,用无菌解剖针针刺叶片造成轻微伤口,每个叶片对角至少针刺4处。将蘸有300μL不同浓度稀释液脱脂棉放在叶片伤口上,放到含有湿滤纸的培养皿中,置于28℃培养箱中保湿培养,以体积分数为20%丙酮液处理为对照,设置3个重复。72h后用十字交叉法测量病斑直径的大小,记录叶片症状和受害程度。按照上述针刺处理方法,测定0.1mg/mL粗毒素浓度条件下,针刺时间对杂草叶片的致病影响。
BWH-1代谢产物对离体叶片的作用测定结果统计见下表,作用效果见图16。从表中结果可知,针刺叶片72h后,叶片可产生类同于真菌侵染后形成的黄褐色腐烂病斑,对照组有不影响毒素致病活性。同时发现,代谢产物浓度高于0.1mg/mL时致病力较强,腐烂病斑明显,尤其对凤眼莲、落地生根等杂草致病性明显,致病斑直径大小在5.8mm以上;代谢产物浓度小于0.05mg/mL致病力稍弱,对有些杂草叶片几乎不致病。可见代谢产物致病力与其浓度大小有关,且为正相关。