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Bacillus cereus X5的杀线活性及其生物有机肥对南方根结线虫的防治作用研究

作　者: 肖同建
导　师: 冉炜
学　校: 南京农业大学
专　业: 植物营养学
关键词: 番茄甜瓜根结线虫南方根结线虫蜡状芽孢杆菌菌株X5 绿色荧光蛋白标记胶原蛋白酶生物有机肥生物防治
分类号: S433
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

根结线虫是严重危害植物的土传病害之一,其侵染根系后形成大量的根结,而且植株表现生长矮小和叶片黄化等现象,导致植物对水分和养分的吸收困难,严重影响植物的正常生长和发育。因此,根结线虫对作物造成了巨大产量和经济的损失。作物连作是引起植物根结线虫病害发生的主要因素,但由于根结线虫寄主范围很广泛,其中包括绝大多数作物和杂草,一旦发生就很难通过轮作等其他途径防治。目前,在农业生产中防治根结线虫的方法主要是化学防治,但是对环境和人类自身造成了许多负面的影响,而且许多国家或地区已经对防治根结线虫的化学药品进入市场进行了严格限制。因此,寻找新的、环境友好型的生物防治方法是非常迫切和必要的。本文的主要研究内容和取得的试验结果如下：(1)根结线虫的富集、分离、纯化和鉴定试验。在温室中将易感染根结线虫的番茄品种种植在从田间采集的、且严重发生根结线虫病害的土壤中进行根结线虫的富集。结合贝尔曼漏斗法、湿筛法和植物组织捣碎法三种方法,从番茄根系中分离根结线虫；然后再次回接到健康土壤上生长的番茄根际以进一步纯化根结线虫；再从形态学上初步鉴定线虫的种类。通过根结线虫的富集和回接试验结果表明：与种植番茄之前的土壤相比,土壤中线虫的数量比原来增加了1.6-3.3倍；番茄根系的根结数量剧增,根结指数到达4级,而健康土壤中生长的番茄根系发达,植株生长健康且无根结现象。从番茄根系中分离根结线虫的雌线虫、二龄幼虫及其虫卵,从形态学角度初步鉴定为南方根结线虫(Meloidogyne incognita)。通过对根结线虫的大量富集、成功纯化和种类鉴定,了解了根结线虫对植物的危害程度,为以后的相关研究提供了宝贵的试验材料。为了进一步了解和认识根结线虫的胚胎发育过程,从番茄根系直接分离的虫卵和二龄幼虫并进行离体培养实验和显微观察。试验结果表明：在恒温25℃培养14天,观察到根结线虫虫卵胚胎发育阶段有：单胞期、双胞期、三胞期、四胞期、囊胚期、原肠期、一龄幼虫阶段、二龄幼虫第一次脱皮、二龄幼虫第二次脱皮和具有侵染能力的二龄幼虫。(2)生防菌的筛选试验。根据根结线虫体壁的主要成分是胶原蛋白构成这一特征出发,筛选能分泌胶原蛋白酶的目标菌株。首先采用稀释平板涂布方法从番茄根际土壤中初步筛选出具水解胶原蛋白作用的菌株,其次通过各菌株发酵上清液对根结线虫二龄幼虫的死亡率和虫卵孵化率抑制作用,再以拮抗菌悬浮液处理番茄根系,观察其对根结线虫侵染番茄根系的影响。通过以上试验筛选出了高效根际细菌菌株和认识菌株与根结线虫的作用模式。本实验筛选出了10株有较强水解胶原蛋白的细菌,其中菌株X5和BTG具有很强的明胶水解能力,二者的胶原酶活分别为40.5U.mL-1和37.3U.mL-1。将菌株X5和BTG发酵上清液处理二龄幼虫24h后的死亡率比对照(无菌上清液)处理的死亡率分别提高了73.1%和60.2%；菌株X5和BTG上清液处理14天后的虫卵孵化率比对照的孵化率分别降低了37.7%和25.6%。将菌株X5和BTG的培养液分别稀释成三种不同的浓度(分别为1、1/2和1/4发酵原液)进行培养,结果表明：随着浓度的降低,虫卵孵化率升高和二龄幼虫死亡率减低。菌株X5和BTG的菌悬液处理后的番茄根结数比对照(不加菌悬液)根结数分别降低了79.5%和64.8%。通过16S rDNA序列分析表明,菌株X5和BTG分别属于蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)和苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)。通过比较各株细菌对二龄幼虫(J2)死亡率、虫卵孵化率及番茄根结数量的影响,菌株X5对根结线虫的防治效果优于菌株BTG。显微观察发现,菌株X5处理过的大部分虫卵内部结构受到破坏或者发生紊乱,而且虫卵液泡化程度较高。说明菌株X5不仅对根结线虫的二龄幼虫有致死的效果,同时对虫卵的孵化有较强的抑制作用。因此,选择菌株X5作为本研究的目标菌株。(3)胶原蛋白酶的特征与杀线活性。通过硫酸铵沉淀、凝胶层析和阳离子交换层析从菌株X5发酵液中分离纯化得到较纯的胶原蛋白酶。该酶表现出较强的水解胶原蛋白的效果,纯化后比活力由13.0U.mg-1提高至153.4U.mg-1,提纯倍数达11.8倍,发酵液中酶的回收率为9.3%。该酶的纯化产物在SDS-PAGE上得到单一条带,蛋白酶分子量约为45kDa左右。该酶对根结线虫有很强致死作用,二龄幼虫死亡率达到80%,虫卵孵化率降低到23.9%。同时,通过电镜扫描观察到该酶液能够破坏幼虫的表皮,虫卵表皮也受到破坏并且内部结构物质发生了紊乱现象。胶原蛋白酶酶学性质研究表明,该酶最适作用温度为35。C；在10℃-45℃范围内具有较好的热稳定性；最适合作用pH值为8.0,并且在pH7.0-10.0范围内胶原蛋白酶活性比较稳定。Mg2+、Zn2+、Fe2+和Ca2+对蛋白酶具有较强的激活作用,其中以Ca2+激活作用最大；而Cu2+、Ba2+、Fe3+和Mn2+对胶原蛋白活性有一定的抑制作用。苯甲基磺酰氟(PMSF)能够强烈抑制蛋白酶的活性,说明该蛋白酶属于丝氨酸蛋白酶家族。而乙二胺四乙酸(EDTA)对胶原蛋白酶的抑制作用很小。因此,从菌株X5发酵液中分离纯化出的胶原蛋白酶对根结线虫致死作用与分解线虫外表皮和降低虫卵孵化能力有关。(4)菌株X5在土壤和番茄根系上的定殖能力。通过电转化引入绿色荧光标记质粒pHAPⅡ得到稳定表达较强的荧光标记菌株X5-gfp,并利用冷冻切片方法和荧光显微镜,分别观察标记菌株在土壤中和番茄根系上的定殖情况,在室内离体培养条件下,检测其对二龄幼虫和虫卵孵化的影响。实验结果表明：菌株X5-gfp的质粒转接到20代和25代时粒稳定性分别为76.2%和60.5%,说明重组质粒在出发菌株体内可以较稳定的遗传。在同样的生长条件下,菌株X5-gfp的生长规律和形态特征都未发生改变,与出发菌株X5基本一致,说明其生长规律和形态特征没有受到外源质粒的影响。标记菌株对二龄幼虫的致死率为66.3%,二龄幼虫孵化抑制率为65.1%。观察到标记菌株在土体土、根际土和根表都有大量定殖,其数量分布趋势是根际>根表>土体。土体土中菌株X5-gfp数量在第7天达到6.6×108cfu·g-1.经过35天后,基于标记菌株X5-gfp的生物有机肥的处理明显减少番茄根系的根结数量,比对照处理的根结数量减少了63.1%。因此,通过GFP标记菌株证明菌株X5能够在番茄根系上和土壤中定殖,从而抑制或减轻了根结线虫对番茄根系危害。(5)由菌株X5和BTG发酵而成的生物有机肥料对番茄根结线虫的防治效果。通过温室盆栽试验,研究了施用生物有机肥60天后番茄植株生长、卵块和虫卵数量和根际土壤中根结线虫数量变化的影响。结果表明,与对照(未接种任何菌株的常规有机肥)相比,BIO、X5和BTG三种生物有机肥各自单一处理和二者复合(X5+BTG)处理施用后,地上部分和根系干重分别增加了0.5-0.9倍和0.7-0.9倍。每株卵块数和每卵块的虫卵数分别减少了24.4%-54.2%和21.8%-54.3%；根际土壤中根结线虫数量减少了18.6%-49.2%。三种生物有机肥复合(BIO+X5+BTG)施用,地上部分和根系干重分别增加了2.1倍和1.5倍；每株卵块数量和每卵块虫卵数量分别减少了67.2%和62.1%；根际土壤中线虫数量减少了50.7%。田间试验表明,单独施用菌株X5发酵的生物有机肥处理(X5)或施用混合微生物有机肥处理(BIO+X5+BTG)都能有效防治根结线虫,甜瓜根结指数分别比对照处理降低了77.6%和81.6%。温室和田间试验结果表明,施用功能菌生物有机肥有效减轻了根结线虫对番茄和甜瓜的危害；促进了番茄和甜瓜植株的生长,菌株X5在相关生物有机肥防治根结线虫中也可以起到的增效作用。(6)防治根结线虫病害的综合管理措施。在温室条件下,采用覆膜阳光消毒、有机物料生物熏蒸和接种菌株X5的方法对根结线虫的防治作用进行了研究,测定了番茄生物量、根结线虫侵染以及根际土壤和土体土壤中微生物数量的变化。结果表明,对线虫滋生土壤进行覆膜阳光消毒、生物熏蒸和接种拮抗菌的联合处理的效果最佳,优于单一处理。联合处理的总生物干重比对照(未进行任何处理)增加了1.8倍,每株卵块数和每卵块的虫卵数量减少了2倍和3.7倍,对根结线虫的防治效果达到82.7%,根际土壤和土体土壤的细菌和真菌数量显著增加,土壤中线虫的数量显著减少。菌株X5与阳光消毒和生物熏蒸措施相结合不仅能起到协同增强根结线虫防治效果,而且能够调控土壤微生物区系,保证作物健康生长。

全文目录

摘要  9-13
ABSTRACT  13-18
缩略语  18-20
第一章文献综述  20-42
  1 植物土传病害  20
  2 植物寄生线虫  20-21
  3 根结线虫概述  21-25
    3.1 种类和数量  21
    3.2 危害性和侵染过程  21-23
    3.3 危害症状  23
    3.4 分布及生活习性  23-24
    3.5 根结线虫生活史  24-25
    3.6 根结线虫繁殖和活动的环境影响因素  25
  4 根结线虫的防治措施  25-39
    4.1 物理方法  25-27
    4.2 化学方法  27-29
    4.3 轮作  29
    4.4 抗病品种  29-30
    4.5 有机废弃物料  30-35
    4.6 生物防治  35-39
  5 防治根结线虫存在问题和发展前景  39-40
  6 本文的研究意义、思路、技术路线和研究内容  40-42
    6.1 研究意义  40
    6.2 研究思路  40-41
    6.3 技术路线  41
    6.4 研究内容  41-42
第二章根结线虫富集、分离纯化及其形态观察  42-52
  1 材料与方法  42-44
    1.1 供试土壤  42
    1.2 供试植物  42
    1.3 仪器及化学试剂  42-43
    1.4 根结线虫的富集  43
    1.5 根结线虫的分离  43-44
    1.6 数据分析  44
  2 结果与分析  44-48
    2.1 根结线虫危害症状观察  44
    2.2 富集后土壤中线虫数量和根系指数的变化  44-46
    2.3 根结线虫的分离与观察  46-48
  3 讨论  48-50
  4 小结  50-52
第三章拮抗菌的分离筛选、鉴定及其对根结线虫的影响  52-72
  1 材料与方法  52-58
    1.1 菌株的筛选  52-53
    1.2 菌株上清液的获得  53
    1.3 菌株上清液对二龄幼虫(J2)和虫卵孵化的影响  53-54
    1.4 不同菌株对根结线虫侵染番茄的抑制作用  54
    1.5 根结线虫死亡率和虫卵孵化率的检测  54-55
    1.6 菌株鉴定  55-58
    1.7 根结线虫虫卵发育的观察  58
    1.8 数据统计分析  58
  2 结果与分析  58-68
    2.1 不同菌株水解酶强弱的比较  58-59
    2.2 不同菌株对二龄幼虫死亡率和虫卵孵化率的影响  59-60
    2.3 不同菌株对番茄根结数的影响  60-61
    2.4 菌株鉴定结果  61-64
    2.5 菌株X5和BTG对二龄幼虫死亡率的影响  64-65
    2.6 菌株X5和BTG对根结线虫虫卵孵化的影响  65
    2.7 根结线虫胚胎发育过程的观察  65-68
  3 讨论  68-70
  4 小结  70-72
第四章菌株X5产胶原蛋白酶的分离纯化及其酶性质的研究  72-92
  1 材料和方法  72-77
    1.1 材料  72-73
    1.2 方法  73-77
  2 结果与分析  77-89
    2.1 不同培养条件对菌株X5产胶原蛋白酶的影响  77-79
    2.2 胶原蛋白酶的分离纯化  79-81
    2.3 胶原蛋白酶的分离纯化结果  81-82
    2.4 胶原蛋白酶分子量的测定  82-83
    2.5 胶原蛋白酶对J2表皮和虫卵表皮的影响  83-85
    2.6 胶原蛋白酶性质的研究  85-89
  3 讨论  89-91
  4 小结  91-92
第五章 GFP标记菌株X5及其在土壤和根表定殖能力的研究  92-102
  1 材料与方法  93-94
    1.1 供试菌株、植物材料  93
    1.2 电转化  93
    1.3 标记菌株生长速度的测定与质粒稳定性的检测  93-94
    1.4 标记菌株对根结线虫的二龄幼虫和虫卵孵化的影响  94
    1.5 基于菌株X5-gfp生物有机肥  94
    1.6 蜡状芽孢杆菌在番茄根系及其根际土壤中定殖的检测  94
    1.7 数据统计分析  94
  2 结果与分析  94-99
    2.1 标记菌株X5-gfp的生长  94-95
    2.2 标记菌株X5-gfp对二龄幼虫和虫卵孵化率的影响  95-96
    2.3 菌株X5-gfp在番茄根系和土壤中的定殖情况  96-99
  3 讨论  99-101
  4 小结  101-102
第六章拮抗菌X5防治根结线虫的应用研究  102-116
  1 材料与方法  103-105
    1.1 供试植物  103
    1.2 供试土壤  103
    1.3 供试菌株  103
    1.4 供试生物有机肥料与鸡粪  103
    1.5 试验设计  103-104
    1.6 番茄植株生物量测定和根系形态参数的分析  104
    1.7 根结线虫卵块、虫卵和根结线虫的分离提取  104-105
    1.8 数据统计分析  105
  2 结果与分析  105-113
    2.1 基于菌株X5生物有机肥防治根结线虫的生物效果  105-109
    2.2 拮抗菌X5在综合防治根结线虫措施中的应用  109-113
  3 讨论  113-115
  4 小结  115-116
全文结论  116-118
创新点与不足之处  118-120
附录  120-122
参考文献  122-140
研究生期间发表的论文  140-142
致谢  142

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