CN102250809B

CN102250809B - 拮抗多种病原真菌的小麦根际固氮菌及其用途

Info

Publication number: CN102250809B
Application number: CN 201110197653
Authority: CN
Inventors: 孙建光; 徐晶; 胡海燕; 高淼
Original assignee: Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS
Current assignee: Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: CN102250809A

Abstract

本发明公开了拮抗多种病原真菌的小麦根际固氮菌及其用途。该小麦根际固氮菌是类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641，其在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的藏编号为CGMCC No.5042。本发明所提供的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042具有较高的固氮活性，可以有效拮抗作物赤霉病菌(Gibberella zeae)、菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)和棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)，在固氮微生物菌剂和生物有机肥生产中具有广阔的应用前景。

Description

拮抗多种病原真菌的小麦根际固氮菌及其用途

技术领域

本发明涉及拮抗多种病原真菌的小麦根际固氮菌及其用途，特别涉及一种可以拮抗作物赤霉病菌、菌核病菌和黄萎病菌，并具有在小麦根际进行高效固氮功能的细菌。

背景技术

氮肥是农业生产中最重要的生产资料之一。生产化学氮肥消耗大量能源，占生产总成本的70％～80％。近年来能源日趋紧张，我国化肥生产用煤价格飚升导致化学氮肥价格上涨，农民难以承受，反响强烈。此外，化学氮肥在提高作物产量、保障我国粮食安全方面发挥了巨大作用，但是不合理施氮已经形成了严重的面源污染，造成一系列的严重危害，如太湖蓝藻事件令人触目惊心。城市地下水硝酸盐污染已经对饮用水安全造成了威胁。

大气中含有78％的氮素，但其存在形式是分子态氮气，动植物不能直接利用，自然界只有某些原核微生物具有直接利用大气中氮气的能力，将其还原成氨，这就是生物固氮作用。选用高效固氮微生物菌种工厂化生产制成菌剂，或进一步与其它富含植物营养的物料复合加工成生物制品，应用于农业生产，可以提供作物氮素营养，改善作物根际生态环境，提高土壤生物肥力性状，这就是通常所说的固氮微生物菌剂或固氮微生物肥料。生物氮肥具有多种优势：①生物氮肥由可再生的生化制剂和活体微生物组成，可以再生，不存在资源枯竭问题，是可持续发展农资产品。②生物氮肥是环境友好型肥料，其生产和使用过程均不产生三废等污染性物质，而且能改善土壤理化性质，提高土壤肥力，是生态农业农资产品。③生物氮肥生产耗能少、成本低，其成本仅为等效化学氮肥的20％～40％，可以为国家节省大量的煤炭和石油等能源战略物资。④使用生物氮肥可以显著降低农业生产成本，提高农产品品质，提升土壤肥力，使农民受益，促进社会和谐发展。

作物赤霉病的病原菌为玉米赤霉菌(Gibberella zeae)无性世代为禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)，是粮食作物的重要致病菌。我国小麦赤霉病有95％是麦类赤霉病菌引起的，是长江中下游冬麦区和东北春麦区的重要病害，发病时经常造成20％～30％的产量损失。此外，该菌还侵染玉米、水稻、大麦等作物，引起苗枯、茎腐、基腐、穗腐等。菌核病的病原菌是核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)，其形态特征表现为：子囊盘小，呈小杯状，浅肉色至褐色，单个或几个从菌核上生出，直径0.5-1cm，柄褐色细长，弯曲，长3-5cm，向下渐细，与菌核相连。菌丝体可以形成菌核，长柄的褐色子囊盘产生在菌核上。菌核形状多样，长3-15μm。子囊圆柱形，120-140μm×11μm，孢子通常8个，单行排列，椭圆形，8-14μm×4-8μm，侧丝细长，线形，无色，顶部较粗。该菌是一种危害作物和蔬菜的世界性的重要的植物病原菌，广泛地侵染、危害十字花科、豆科、茄科、芸香科等植物，如造成油菜、大豆、向日葵、黄瓜、辣椒等经济作物和蔬菜菌核病。棉花黄萎病菌(大丽轮枝菌Verticillium dahliae)以土壤传播为主，寄主范围很广，除侵染棉花引起黄萎病外，还侵染经济作物烟草、油料作物大豆、花生、向日葵、芝麻、蔬菜作物马铃薯、茄子、辣椒、番茄、黄瓜、西瓜，以及林木、花卉等，危害严重，造成巨大经济损失。目前对上述真菌病害的防治主要依靠化学农药，然而化学防治不仅成本高、污染环境，而且防效也不理想，同时食品的安全性也受到严重影响。

菌种是微生物肥料生产应用的基础。目前，限制我国微生物肥料行业发展的瓶颈就是高效菌种的选育问题。农业生产迫切需求固氮效能高、拮抗病原真菌、抗逆性强、货架期长的微生物肥料生产用菌种。

发明内容

本发明的目的是提供一株可以在作物根际进行高效固氮，并且拮抗作物赤霉病菌(Gibberella zeae)、菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)和棉花黄萎病菌(Verticilliumdahliae)的细菌。

本发明所提供的根际固氮菌，是类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641，该菌株已于2011年7月6日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号)，保藏编号为CGMCC No.5042。

本发明的另一个目的是提供一种菌剂，该菌剂的活性成分为所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042。

该菌剂除包含作为活性成分的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042外，还可包括辅料，如草炭、动物的粪便、各类作物的秸秆、松壳、稻草、花生皮等。

该菌剂可用于抑制病原真菌、防治植物真菌病害、固氮、产生固氮酶等。

所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042在制备下述1)-4)中任一菌剂中的应用也属于本发明的保护范围：

1)用于抑制病原真菌的菌剂；

2)用于防治植物真菌病害的菌剂；

3)用于固氮的菌剂；

4)产生固氮酶的菌剂。

所述病原真菌可为通过土壤、施入土壤中的肥料、和/或种子传播的真菌，具体可为引起赤霉病的真菌、或为引起菌核病的真菌、或为引起黄萎病的真菌；所述植物真菌病害可为赤霉病、菌核病或黄萎病。

所述引起赤霉病的真菌可为玉米赤霉菌(Gibberella zeae)或禾谷镰刀菌(Fusariumgrammearum)；所述引起菌核病的真菌可为核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)；所述引起黄萎病的真菌可为棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)。

所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042或以该类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042为活性成分的菌剂在生产固氮酶中的应用以及在制备生物有机肥中的应用也属于本发明的保护范围。

本发明的再一个目的是提供一种含有所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042或以所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042为活性成分的菌剂的生物有机肥。

本发明的又一目的是提供一种培养类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCCNo.5042的方法，该方法包括将类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042在用于培养类芽孢杆菌的培养基中培养的步骤。

本发明的又一目的是提供一种制备所述菌剂的方法，该方法包括如下步骤：将所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042作为活性成分，得到所述菌剂。

实验证明，本发明是从土壤样品中经过层层筛选，最终筛选出了类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042，该菌株具有很高的固氮酶活性，能够拮抗作物赤霉病病原菌玉米赤霉菌(Gibberella zeae)、菌核病病原菌核盘菌(Sclerotiniasclerotiorum)和棉花黄萎病菌(大丽轮枝菌Verticillium dahliae)，竞争适应能力强，接种效果好，在固氮微生物菌剂和生物有机肥生产中具有广阔的应用前景。

保藏说明

菌种名称：类芽孢杆菌

拉丁名：(Paenibacillus sp.)

菌株编号：GD641

保藏机构：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心

保藏机构简称：CGMCC

地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号

保藏日期：2011年7月6日

保藏中心登记入册编号：CGMCC No.5042

附图说明

图1为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042的固氮酶活性。

图2为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042拮抗赤霉病菌玉米赤霉菌(Gibberella zeae)。左侧菌落为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042，右侧菌落为赤霉病菌玉米赤霉菌(Gibberella zeae)。

图3为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042拮抗菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)。左侧菌落为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042，右侧菌落为菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)。

图4为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042拮抗棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)。左侧菌落为类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042，右侧菌落为棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

固氮菌富集培养液ACCC55成份：蔗糖10g、K₂HPO₄·3H₂O 0.5g、NaCl 0.2g、CaCO₃1g、MgSO₄·7H₂O 0.2g、蒸馏水1000ml、pH 7.0～7.2。

改良的ACCC55固氮菌固体培养基成份：蔗糖10g、K₂HPO₄·3H₂O 0.5g、NaCl 0.2g、CaCO₃ 1g、MgSO₄·7H₂O 0.2g、酵母膏0.5g、蒸馏水1000ml、琼脂1.5％～2.0％，pH 7.0～7.2。

无氮培养基：蔗糖10g，NaCl 0.12g，K₂HPO₄·3H₂O 0.5g，CaCO₃ 1g，MgSO₄·7H₂O0.2g，蒸馏水1000mL，pH7.2。

圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)ACCC11103(参见“孙建光等.高效固氮芽孢杆菌筛选及其生物学特性.中国农业科学，2009，42(6)：2043-2051”)。

赤霉病菌-玉蜀黍赤霉菌(Gibberella zeae)(中国农业微生物菌种保藏管理中心，ACCC31053)。

菌核病菌-核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)(中国农业微生物菌种保藏管理中心，ACCC30046)。

棉花黄萎病菌-大丽花轮枝孢(Verticillium dahliae)(中国农业微生物菌种保藏管理中心，ACCC30308)。

实施例1、小麦根际固氮菌GD641的分离与鉴定

一、小麦根际固氮菌GD641的富集与分离

取10g土样(采自中国内蒙古)放入90ml无菌水中摇床振荡20min制成混浊液，吸取5ml放入30ml固氮菌富集培养液ACCC55中，100rpm，28℃进行摇床振荡培养，72h后换新鲜培养液继续培养。重复培养3次后进行固氮芽孢菌分离。吸取1ml上述固氮菌富集培养物放到9ml无菌水中制成10^-1稀释度，继续稀释制成10^-2、10^-3、10^-4、10^-5稀释度的菌悬液，在100℃沸水中加热10min，冷却后每个稀释度取0.1ml涂布在固氮菌分离培养基平板上，29℃静置培养。2～3d待菌落形成后，在改良的ACCC55固氮菌培养基平板上用平板划线法进行菌种纯化。将分离纯化所得的其中一个菌株命名为小麦根际固氮菌GD641。

二、小麦根际固氮菌GD641的鉴定

从以下几个方面鉴定步骤一分离并纯化得到的小麦根际固氮菌：

1、形态学鉴定

将处于对数生长期，且菌落大小稳定，上述步骤一分离并纯化得到的固氮菌GD641进行单菌落状态描述，主要包括菌落的大小、颜色、透明度、湿润度、菌落表面状态(是否平坦、突起、褶皱、凹陷等)、菌落边缘状态(是否整齐、不规则、放射状等)。

对于处于对数生长期的所述固氮菌GD641，经涂片染色后采用光学显微镜观察菌体的形态。

结果表明，上述步骤一分离并纯化得到的固氮菌GD641菌落圆形凸起，水滴状，透明，有光泽，表面湿润光滑，边缘晕圈；菌体杆状，0.5～1.0×0.5～1.0μm，无芽孢。

2、生理生化特征分析

参考《常见细菌***鉴定手册》(东秀珠，蔡妙英.常见细菌***鉴定手册.北京：科学出版社，2011.)和《微生物学实验》(沈萍，范秀容，李广武.微生物学实验(第三版).北京：高等教育出版社，1999.)测定上述固氮菌GD641的生理生化特征。

所述固氮菌GD641的生理生化特征测定结果如下：

接触酶反应：阳性

氧化酶反应：阴性

生长温度：4℃不生长，28℃生长，37℃生长，60℃不生长

耐盐性试验：2％NaCl生长，5％NaCl不生长，7％NaCl不生长，10％NaCl不生长

苯丙氨酸脱氨酶试验：阴性

利用柠檬酸盐：阴性

水解淀粉：阳性

卵黄卵磷脂酶：阳性

甲基红试验：阴性

V.P试验：阴性

PH 5.7生长：阳性

糖醇发酵产酸：葡萄糖阳性，甘露醇阳性，乳糖阳性，蔗糖阳性

3、16s rDNA序列同源性分析

常规方法培养上述步骤一分离纯化得到的固氮菌GD641，提取菌株的总DNA作为基因扩增模板，以细菌16s rDNA通用引物，27f：5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′，1492r：5′-TACGGTTACCTTGTTACGACTT-3′进行PCR反应。反应体系采用上海生物工程有限公司PCR扩增试剂盒。反应程序为：95℃变性30s、55℃退火1min、72℃延伸2min，共30个循环。DNA测序由北京三博远志生物技术公司完成，序列拼接及相似性分析使用DNAStar软件完成，序列比对通过美国国家生物技术信息中心NCBI数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)在线完成。

固氮菌GD641菌株16s rDNA的序列详见序列表中序列1。

4、生长特性分析

进行了菌株最适温度和最适pH生长实验。采用无氮培养基，分别在4℃、28℃、37℃、60℃培养、观察、记录菌株的温度适应性，每个处理3次重复。调整酸度分别为pH3、pH4、pH5、pH6、pH7、pH8、pH9、pH10、pH11，每个处理3次重复，培养、观察、记录菌株生长的最适pH。

结果表明，所述小麦根际固氮菌GD641的最适生长温度为28℃，最适生长pH为pH7～8。

鉴于上述形态、生理生化特征分析和16s rDNA序列同源性分析结果，将步骤一分离并纯化得到的小麦根际固氮菌GD641鉴定为变型细菌α亚群类芽孢杆菌科类芽孢杆菌属(Paenibacillus sp.)。该小麦根际固氮菌GD641已于2011年7月6日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号)，保藏编号为CGMCC No.5042。

实施例2、类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042固氮酶活性测定

对实施例1所得到的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042进行固氮酶活性测定，具体方法如下所述：在15×150mm螺口玻璃管中加入5ml改良固氮培养基制成斜面，接种固氮菌，28℃培养。以微生物肥料常用生产菌种圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)ACCC11103为阳性对照，不接种空白斜面为阴性对照，设3个重复。培养72h后，换橡胶塞，注入乙炔气体使终浓度为10％，用医用胶布密封，继续培养72h，取100μl反应气体，用气相色谱仪测定乙烯生成量，根据以下公式计算类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042的固氮酶活性。固氮酶活性(nmol/mg·h)＝C₂H₄nmol/[菌体蛋白量(mg)×反应时间(h)]，其中C₂H₄nmol＝1000×C₂H₄体积(μl)×273×P/[22.4×(273+t)×760]，其中P为气压(mm汞柱)，t为反应温度(℃)。

其中，菌体蛋白含量测定方法如下所述：用5ml生理盐水将试管斜面上的菌苔洗入离心管中，收集菌体，向沉淀中加入3ml 0.5M的NaOH沸水煮沸5min，加入3ml 0.5M的HCl混合，离心后取上清1.0ml，加入5ml考马斯亮蓝溶液，在漩涡混合器上混合，显色3min，测定595nm处的吸光值A₅₉₅，根据牛血清白蛋白标准曲线计算菌体蛋白含量。

结果显示，筛选到的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042的固氮酶活性为27.357nmol C₂H₄/h·mg蛋白，统计分析与微生物肥料常用生产菌种圆褐固氮菌ACCC11103的固氮酶活性25.100nmol C₂H₄/h·mg蛋白无差异，如图1所示。这一结果表明，本发明的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042能高效固氮。

实施例3、类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042拮抗病原真菌抑菌率测定

采用两点对峙法对实施例1所得到的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042进行拮抗病原真菌抑菌率测定，具体操作如下所述：在PDA平板上距离中心2cm的两点上分别接种作物赤霉病菌(Gibberella zeae)(或者菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)，或者棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae))和类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042，每个筛选处理3个重复，以只接病原真菌不接固氮菌的平板为对照。28℃恒温培养，15d后用毫米刻度尺测量对峙平板上病原真菌沿被测类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042方向的菌落半径r₁、及对照平板上病原真菌的菌落半径r₀。病原真菌生长抑制率(％)＝(对照半径r₀-对峙培养病原真菌菌落半径r₁)/对照半径r₀×100％。

结果显示，赤霉病菌(Gibberella zeae)的r₀是63.3±2.8mm，r₁是26.6±0.8mm；菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)的r₀是63.0±2.1mm，r₁是27.3±1.5mm；棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)的r₀是41.0±1.9mm，r₁是21.7±1.1mm。将平均值代人上述公式计算得：所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCC No.5042对赤霉病菌(Gibberella zeae)的抑菌率为57.98％，如图2所示；对菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)的抑菌率为56.67％，如图3所示；对棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)的抑菌率为47.07％，如图4所示。这一结果表明所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641 CGMCCNo.5042可以有效拮抗作物赤霉病菌(Gibberella zeae)、菌核病菌(Sclerotiniasclerotiorum)和棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)。

Claims

1.类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641，其在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的保藏编号为CGMCC No.5042。

2.一种菌剂，它的活性成分为权利要求1所述的类芽孢杆菌(Paenibacillussp.)GD641CGMCC No.5042。

3.权利要求1所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042在制备下述1）-4）中任一的菌剂中的应用：

1）用于抑制病原真菌的菌剂；

2）用于防治植物真菌病害的菌剂；

3）用于固氮的菌剂；

4）产生固氮酶的菌剂。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述病原真菌为引起赤霉病的真菌、或为引起菌核病的真菌、或为引起黄萎病的真菌；所述植物真菌病害为赤霉病、菌核病或黄萎病。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述引起赤霉病的真菌为玉米赤霉菌（Gibberella zeae）或禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）；所述引起菌核病的真菌为核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)；所述引起黄萎病的真菌为棉花黄萎病菌（Verticillium dahliae）。

6.权利要求1所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042、或权利要求2所述菌剂在生产固氮酶中应用。

7.权利要求1所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042、或权利要求2所述菌剂在制备生物有机肥中应用。

8.含有权利要求1所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042、或权利要求2所述菌剂的生物有机肥。

9.培养权利要求1所述类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042的方法，包括将类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042在用于培养类芽孢杆菌的培养基中培养的步骤。

10.权利要求2所述菌剂的制备方法，包括如下步骤：将权利要求1所述的类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)GD641CGMCC No.5042作为活性成分，得到所述菌剂。