CN112195137B - 拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的贝莱斯芽孢杆菌及其应用 - Google Patents

拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的贝莱斯芽孢杆菌及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于微生物技术领域,公开了一株能够拮抗稻瘟病菌和产γ‑聚谷氨酸的菌株。该菌株为贝莱斯芽孢杆菌SS‑20,已保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏日期为2020年10月26日,保藏号为CCTCC NO:M2020637。该菌株具有拮抗稻瘟病菌和产γ‑聚谷氨酸的能力,可应用于植物病害防治、微生物肥料、食品防腐保鲜、医药、环保等领域,具有十分巨大的应用价值和市场开发潜力。

Description

拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的贝莱斯芽孢杆菌及其应用
技术领域
本发明属于微生物技术领域,具体涉及一株拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的贝莱斯芽孢杆菌及其应用。
背景技术
稻瘟病(rice blast disease)是最严重的水稻病害之一,每年可造成减产10-30%。稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)是导致稻瘟病的病原菌。稻瘟病菌分生孢子呈梨形(pyriform),落到水稻组织表面后,被诱导形成一种特化的侵染细胞-附着胞(appressorium),附着胞通过在细胞壁内侧沉淀一层厚厚的黑色素,并在胞内合成大量甘油,产生巨大的膨压,并借此侵入水稻组织,在其中生长扩展,导致病斑的发生。侵染菌丝可以从病斑部位向空气中伸展形成分生孢子梗,并在末端分化出分生孢子,进行再一轮侵染。除侵染水稻外,该丝状真菌还可以侵染其他植物,如大麦、小麦以及禾本科的一些杂草。
目前,化学防治仍旧是治理稻瘟病的常规防治方法,主要通过抑制黑色素的生物合成途径来抑制稻瘟病的发生。但长期大规模使用化学药剂不经济也不安全,且会使病原菌产生抗药性。生物防治不仅具有不易产生抗性、靶向性高、特异性好等优点,而且对生态环境友好,这取决于具有生防作用的微生物资源筛选和发掘。
主要的微生物源农药有细菌类、放线菌类和真菌类。芽孢杆菌作为拮抗菌的典型代表,其作用机制一般有拮抗作用、竞争作用、重寄生作用、诱导抗性等方面。拮抗作用指生防菌分泌胞外代谢产物直接杀死或者抑制病原菌的生长,或形成一个不利于病原菌的环境条件而间接抑制病原菌的生长。竞争作用是指生防微生物通过对营养物质的争夺、水分、空间、物理和生物学位点的抢夺等方式削弱或排除同一生态环境中的病原菌,起到防治病害的作用。芽孢杆菌进入植物体后,优先占据病原菌的入侵位点,与病原菌争夺营养。寄生作用就是指一种生物侵入另一种生物体内获得营养,以获得生存和发展的现象,有吸附生长、缠绕、侵入、消解等多种形式。病原菌被拮抗微生物寄生后,所需的生长环境和营养被破坏,因此无法生长而消亡。诱导植物抗性,通常包括***获得性抗性和诱导***抗性两种形式。***获得性抗性是指病原菌或弱毒菌株侵染植物体,使植物体产生过敏性反应,产生植物保卫激素。而诱导抗性是指生物或非生物因子作用于宿主植物后,激活了该植物自身的物理或化学抗性机制,从而产生***抗性的过程,其作用特点是通过非病原物诱导植物体产生抗病应答,而不是诱导物自身直接杀死或抑制病原物。芽孢杆菌能诱导寄主植物产生一些物理结构上的抗性,如诱导植物在病菌入侵的细胞前沿形成结构致密的保护层,或诱导寄主细胞壁的结构发生改变,如细胞壁形成乳突,细胞机械强度增强,从而限制病菌的进一步扩展,还能诱导寄主植物生理生化活性变化(包括诱导寄主植物体内积累相关蛋白,合成植保素以及其他代谢产物,产生水解酶和氧化酶等)。
芽孢杆菌防治植物病害的机理主要包括:产生多种抗生素、有效的根际定殖及竞争根际营养、降解微生物的酶类及诱导***抗性作用,使其可开发成微生物活菌制剂等一系列生物防治产品,在生物肥料、生物饲料、生物农药等农业领域和食品领域得到了广泛的应用。近年来,研究发现贝莱斯芽孢杆菌在自然界中广泛分布,具有快速生长和稳定的良好特性,易于分离和培养,对人类和动物无害,不污染环境。其在促进植物生长、拮抗病原菌、抗应激能力及酿造等方面发挥一定作用,具有十分重要的理论研究与实践应用价值。
芽孢杆菌产生的抗菌物质主要有蛋白类、多肽类、酶类等,绝大多数为肽类抗生素。芽孢杆菌脂肽的合成是非核糖体途径,即通过大分子的复合酶-非核糖体合成肽合成酶(NRPS)来完成一系列的生物合成,即所谓的“硫模板多聚酶机制”。特殊的生物合成机制决定了非核糖体肽具有氨基酸组成及分子形式复杂、分子量较小、理化性质稳定、生物活性多样等特点。脂肽类抗生素主要有表面活性素脂肽(surfactin)、伊枯草菌素(inturin)、芬枯草菌素(fengycin)等。Iturin家族成员包括IturinA、B、C、D、E,杆菌抗霉素(Bacillomycin)D、F、L以及抗酶枯草菌素(Mycosubtilin)等。非肽类抗菌物质还包括大环内酯类、酚类、异构香豆素、多烯类物质以及含有双糖的氨基糖苷等。芽孢杆菌及其天然抗菌素制成的生物农业必将成为化学药剂的理想替代品。
γ-聚谷氨酸(PGA)是一种由若干个谷氨酸单体(D型或L型)通过γ-酰胺键连接而成的一类阴离子型多肽聚合物,可由化学方法或微生物发酵合成,分子量多在100-1000KDa之间,其平均分子量约为1.23×104 KDa。PGA没有典型的肽链结构,基本骨架呈直链纤维状。PGA作为一种对环境无污染的新型高分子绿色生物产品,具有可降解性、成膜性、成纤性、可塑性、粘结性等独特的理化性能,可应用于医药制造、食品加工保鲜、化妆品、制造业、农业等许多领域。
在医药方面,PGA分子结构中大量游离羧基的存在,使其本身具有较好的水溶性和载药率。此外,PGA与壳聚糖(或其他低聚物)或其衍生物进行自组装可得到对pH敏感的可生物降解的纳米微粒,可作为药物载体和疫苗的输送使其在体内发挥作用。PGA作为生物黏合剂可用于控制组织的持续性渗血,也可防止密封气体和机体内液体的渗漏,还可用于大动脉切割的修补,是一种新型安全的生物胶带。在污水处理中,PGA的游离羧基与阳离子结合影响其带电性而进一步改变PGA分子间作用力,从而使其凝聚成絮团状聚合体而发生絮凝作用。在保健方面,PGA和Ca鳌合形成的补钙剂经检测具有明显的缓释效果,且缓释能力不依赖于胃酸,在酸性及中性条件下均能不同程度的缓慢释放Ca达到补钙效果。在农业领域,PGA可以提高土壤保水性、透水性和透气性,最终改善土壤质量;可用作缓蚀剂,提高肥料、农药的利用率;可在种子外面形成保湿膜,利于种子发芽、出苗和生根;可延长水果蔬菜等的保鲜保质期。
现有菌株一般只能抗菌或者只能生产PGA,或者二者的效果有限,存在生产成本高、原料利用率低、应用范围有限等问题,难以进行规模化生产和广泛应用。而本发明的菌株SS-20具有抑制稻瘟病菌(产3种抗菌脂肽和1种抗菌蛋白酶)和PGA,拓宽了菌株的应用范围。因此,本发明的菌株SS-20具有巨大的应用价值和市场开发潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一株拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的贝莱斯芽孢杆菌及其应用。以解决现有菌株应用范围有限、生产成本高、难以规模化生产的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:本发明提供了一株拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的菌株,该菌株SS-20已保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏日期为2020年10月26日,保藏号为CCTCC NO:M2020637,保藏地址为:湖北省武汉市武汉大学校内。SS-20在LB平板上生长良好,菌落乳白色,不规则,不透明,有褶皱。细胞杆状,大小为1.9~2.4μm,两端钝圆。可产芽孢,革兰氏阳性。
经形态学鉴定和16s rRNA扩增序列发育树分析,确定该菌株为贝莱斯芽孢杆菌,按照国际命名规则:属名+种名+株名对该菌株进行命名,属名、种名、株名分别为Bacillusvelezensis和SS-20,命名为Bacillus velezensis SS-20。所述贝莱斯芽孢杆菌Bacillus velezensis SS-20的16S rDNA序列如SEQ ID NO.1所示。
本发明提供的菌株SS-20生理生化鉴定结果为:酯酶(C4)、萘酚-AS-Bi-磷酸水解酶、α-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶均阳性。硝酸盐还原:阳性,葡萄糖酸化:阳性,七叶灵水解:阳性,明胶水解:阳性,葡萄糖、***糖、甘露糖,甘露醇,N-乙酰-葡萄糖胺,麦芽糖,葡萄糖酸盐,柠檬酸,苯乙酸同化:阳性,另外细胞色素氧化酶:阳性。
所述的菌株在拮抗稻瘟病菌方面的应用。
所述的菌株在制备抗稻瘟病农药中的应用。
所述的菌株的发酵产物拮抗稻瘟病菌方面的应用。
所述发酵产物中含有伊枯草菌素、丰原素、表面活性素和芽孢菌溶素。
所述的菌株在产γ-聚谷氨酸方面的应用。
所述的菌株在农业方面的应用。
本发明提供的菌株SS-20抗菌物质基因信息为:
菌株SS-20具有伊枯草菌素合成酶(ituA)、丰原素合成酶(fenB)、表面活性素合成酶调控(sfP)、芽孢菌溶素合成酶Bacilysin中的部分合成基因(bacAB),PCR产物大小分别为1149bp,1401bp, 675bp,749bp,序列分别如SEQ ID NO.2~5所示。经BLAST后,分别与Bacillus amyloliquefaciens Lx-11 bacillomycin D synthetase A gene(JN086148.1)相似度99.74%,Bacillus amyloliquefaciens JT84 FenB(fenB) gene(KX351428.1)相似度99.93%,Bacillus amyloliquefaciens JT84 phosphopantetheinyl transferase(sfp) gene(KX346253.1)相似度100.00%,Bacillus subtilis A1/3 bacilysin gene(AF396778.1)相似度98.00%。
本发明提供的菌株SS-20还可在发酵培养基中37℃,200 rpm培养3 d产PGA。
本发明的有益效果:本发明提供了一株抑制稻瘟病菌和产PGA的贝莱斯芽孢杆菌菌株,可大大降低生产成本和提高生产效率,拓宽了本菌株的应用范围。且本发明提供的菌株属于国际上公认的安全菌种。本发明提供的菌株SS-20可以用于制备生防制剂抑制植物病害,也可以用于生产微生物肥料、添加剂等,还可以用于生产医药化妆品添加剂、食品防腐剂、环保制剂等。
附图说明
图1为本发明Bacillus velezensis SS-20在LB平板上的菌落形态。
图2为本发明Bacillus velezensis SS-20的扫面电镜图。
图3为本发明Bacillus velezensis SS-20的芽孢染色图。
图4为本发明Bacillus velezensis SS-20抑制稻瘟病菌图。
图5为本发明Bacillus velezensis SS-20发酵产物抑制稻瘟病菌效果图。
图6为本发明Bacillus velezensis SS-20发酵产物抑制稻瘟病菌菌丝体形态图(20倍物镜)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在进一步描述本发明具体实施方式之前,应理解,本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案;还应当理解,本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案,而不是为了限制本发明的保护范围;在本发明说明书和权利要求书中,除非文中另外明确指出,单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。
当实施例给出数值范围时,应理解,除非本发明另有说明,每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义,本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外,根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载,还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
以下通过实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1:SS-20的分离筛选
在上海市农业科学院生态环境保护研究所实验室周围室外设置采样点采集空气菌,将LB培养基暴露于空气中30 min。随后将培养基于37℃培养24 h,分离单菌落并编号。将单菌落以复划线的方式接种到新的培养基中,并再次梯度稀释法分离纯培养。将纯培养菌株进行增殖培养,观察菌落的形态、颜色、透明度等特征,挑取单菌落保存备用。
实施例2:SS-20种属鉴定
参照《常见细菌***鉴定手册》进行菌株形态学观察和生理生化特性分析。菌株SS-20在LB平板上菌落圆形、不透明、乳白色、较粘稠、边缘不整齐(见图1)。
细胞呈杆状(见图2),革兰氏阳性,芽孢中生(见图3)。
生理生化鉴定结果显示:酯酶(C4)、萘酚-AS-Bi-磷酸水解酶、α-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶均阳性。硝酸盐还原:阳性,葡萄糖酸化:阳性,七叶灵水解:阳性,明胶水解:阳性,葡萄糖、***糖、甘露糖,甘露醇,N-乙酰-葡萄糖胺,麦芽糖,葡萄糖酸盐,柠檬酸,苯乙酸同化:阳性,另外细胞色素氧化酶:阳性。
利用细菌基因组DNA提取试剂盒提取菌株基因组DNA,以通用引物27F/1492R为引物,对菌株的16S rRNA进行扩增。PCR产物经1%琼脂糖凝胶电泳检测并胶回收后送上海生工生物工程有限公司纯化测序。将测序结果(SEQ ID NO.1)在NCBI数据库中进行BLAST比对。SS-20菌株PCR产物经纯化测序后得到1385 bp序列,经BLAST比对发现,SS-20的16S rRNA序列与Bacillus velezensis FZB42 (NR_075005.2)、Bacillus velezensis CBMB205(NR_116240.1)的同源性达到99.93%、99.86%。
综合分析,菌株SS-20为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)。
实施例3:菌株SS-20抑制稻瘟病菌效果
采用平板对峙培养法进行测试,固体平板为PDA培养基(每升含:200 g马铃薯煮熟过滤液,20 g葡萄糖,20 g琼脂,自然pH)。在PDA种养接种稻瘟病菌856(由上海市农业科学院生态环境保护研究所植物病理实验室提供),在对应两侧(距平板边缘约1 cm处)通过点接方式接入制备好的SS-20菌株,置27 ℃进行对峙培养,测定SS-20对稻瘟病菌生长的抑制能力,以不点接细菌的处理为对照。7 d后观察并测量稻瘟病菌菌落直径并计算菌丝生长抑制率。真菌菌丝生长抑制率按照如下计算:真菌菌丝生长抑制率=[1-(实验组真菌菌丝生长直径/对照组真菌菌丝生长直径)]×100%。
结果表明,SS-20对稻瘟病菌有显著的抑制效果,而对照组的真菌菌丝生长良好(图4)。延长培养时间至15 d,SS-20抑菌效果并未减弱。经测量,SS-20对稻瘟病菌的抑菌效率可达77.46%,说明SS-20可显著抑制稻瘟病菌菌丝的生长。
实施例4:SS-20发酵产物的抑菌活性测定
挑取划线培养的SS-20菌株接种至MOLP培养基(100 mL)中,发酵温度为37 ℃,摇床转速为200 rpm,发酵时间为2 d。MOLP培养基配方为:蛋白胨30 g/L,蔗糖20 g/L,酵母抽提物7 g/L,KH2PO4 1.9 g/L,微量元素1‰,余下为蒸馏水,pH 7.2。
采用牛津杯法进行测定,对SS-20发酵产物的抑菌活性进行测定。具体地,依照上述方法获得SS-20发酵产物,利用甲醇萃取上清液得到SS-20发酵产物。在PDA培养基中央接入稻瘟病菌856,在两侧的无菌牛津杯中加入200 μL SS-20发酵产物,置于27 ℃进行对峙培养,测定SS-20发酵产物对稻瘟病菌生长的抑制能力。以无菌甲醇为对照,以含有SS-20的发酵产物作为平行处理。每处理设置3次重复,7 d后观察并测量稻瘟病菌生长情况(图5)。
对峙培养结果表明,稻瘟病菌受到SS-20发酵产物的显著抑制,经测量,抑菌率可达71.79%。说明不仅SS-20活菌细胞具有抑制稻瘟病菌的效果,其萃取的发酵产物也可以极显著抑制稻瘟病菌菌丝的生长。SS-20发酵产物处理后的真菌菌丝形态发生明显变化,菌丝数量减少,菌丝体萎缩,菌丝末端膨大变性,囊泡化严重(图6)。
实施例5:SS-20抗菌物质相关基因扩增
以SS-20细菌基因组DNA为模板,以表1中所列引物进行抗菌物质相关基因的PCR扩增。PCR完成后经1%琼脂糖凝胶电泳检测。结果显示,ituAfenBsfPbacAB均扩增成功,说明SS-20具有合成iturin,fengycin,surfactin,bacilysin的能力。
菌株SS-20具有伊枯草菌素合成酶(ituA)、丰原素合成酶(fenB)、表面活性素脂肽抗生素合成酶调控(sfP)、芽孢菌溶素合成酶Bacilysin中的部分合成基因bacAB等相关基因,PCR产物大小分别为1149bp,1401bp, 675bp,749bp,经BLAST后,分别与Bacillus amyloliquefaciens Lx-11 bacillomycin D synthetase A gene(JN086148.1)相似度99.74%,Bacillus amyloliquefaciens JT84 FenB(fenB) gene (KX351428.1)相似度99.93%,Bacillus amyloliquefaciens JT84 phosphopantetheinyl transferase (sfp)gene(KX346253.1)相似度100.00%,Bacillus subtilis A1/3 bacilysin gene(AF396778.1)相似度98.00%。
表1 相关基因引物信息表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例6:SS-20发酵生产PGA
SS-20在发酵培养基(葡萄糖40 g/L,谷氨酸钠40 g/L,酵母抽提物5 g/L,MgSO40.25 g/L,K2HPO4 2 g/L,pH=7.2)中200 rpm,37℃培养3 d,12000 rpm离心10 min去除菌体,得发酵上清液。加入3倍体积的预冷无水乙醇,振荡均匀后4℃静置过夜,收集沉淀。适量去离子水溶解,得到PGA粗提物。
PGA溶液在合适浓度下可以与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的氢氧化钠溶液反应形成混悬液。本实验中,PGA与CTAB形成的悬浊液在250 nm处的吸光度大小与PGA浓度呈正比,并具有良好线性关系。配置8%的NaOH溶液,并以此为溶剂,配置成8%的CTAB-NaOH溶液。配置系列梯度的PGA标准液,绘制标准曲线为y=0.0166x-0.134(R2=0.9996)。
将PGA粗提取物稀释适当倍数后作为待测液,取2 mL待测液,准确加入2 mL CTAB-NaOH溶液,振荡混匀,静置3 min,在波长250 nm处测定吸光度。通过对沉淀物的分析发现,沉淀物在250 nm处的吸光度与标准品完全一致。通过标准曲线得到发酵PGA的浓度>5.0 g/L。说明菌株SS-20具有产PGA的能力。
以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案,并不能理解为对本发明的限制。此外,本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化,在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述,但应当理解,本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上,各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。
<120> 拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的贝莱斯芽孢杆菌及其应用
<160> 5
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1385
<212> DNA
<213> 贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)
<400> 1
cagatgggag cttgctccct gatgttagcg gcggacgggt gagtaacacg tgggtaacct 60
gcctgtaaga ctgggataac tccgggaaac cggggctaat accggatggt tgtctgaacc 120
gcatggttca gacataaaag gtggcttcgg ctaccactta cagatggacc cgcggcgcat 180
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atcgtaaagc tctgttgtta gggaagaaca agtgccgttc aaatagggcg gcaccttgac 420
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gcaagcgttg tccggaatta ttgggcgtaa agggctcgca ggcggtttct taagtctgat 540
gtgaaagccc ccggctcaac cggggagggt cattggaaac tggggaactt gagtgcagaa 600
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gtccccttcg ggggcagagt gacaggtggt gcatggttgt cgtcagctcg tgtcgtgaga 1020
tgttgggtta agtcccgcaa cgagcgcaac ccttgatctt agttgccagc attcagttgg 1080
gcactctaag gtgactgccg gtgacaaacc ggaggaaggt ggggatgacg tcaaatcatc 1140
atgcccctta tgacctgggc tacacacgtg ctacaatgga cagaacaaag ggcagcgaaa 1200
ccgcgaggtt aagccaatcc cacaaatctg ttctcagttc ggatcgcagt ctgcaactcg 1260
actgcgtgaa gctggaatcg ctagtaatcg cggatcagca tgccgcggtg aatacgttcc 1320
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gtaac 1385
<210> 2
<211> 1149
<212> DNA
<213> 贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)
<400> 2
atctatacca gtcaattcca aaccttagta gatgtcattc gggaaagaag caatatctct 60
gatcgcggga tccgttttat cgaatccgat aaaaacgaga cggttgtctc ttatcgccaa 120
ttgtttgaag aggcgcaagg gtatcttggc tatttacagc atctcggcat taagccgaag 180
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atattaggag gaatgatccc ggtgccggtc agtatcggag aagatgatga ccataagctg 300
aaggtctggc gcatttggaa tatattaaat catccgtctc tgattgcctc tgaaaaagta 360
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<212> DNA
<213> 贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)
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gatcagactg atgacggcga gcagctcggc tatcacatta agcggacaaa agacatgatg 960
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caaggtcagc gataaccaat actgttttt 749

Claims (5)

1.一株拮抗稻瘟病菌和产γ-聚谷氨酸的菌株,该菌株为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)SS-20,已保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏日期为2020年10月26日,保藏号为CCTCC NO:M2020637,保藏地址为:湖北省武汉市武汉大学校内。
2.权利要求1所述的菌株在拮抗稻瘟病菌方面的应用。
3.权利要求1所述的菌株在制备抗稻瘟病农药中的应用。
4.权利要求1所述的菌株在产γ-聚谷氨酸方面的应用。
5.权利要求1所述的菌株在农业方面的应用。
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