蘇云金芽胞桿菌6618殺蟲菌株的分離和鑒定*

張　晨，黃　菲，陸秀青，謝俊雁，丁學知，夏立秋，孫運軍

（湖南師范大學生命科學學院，湖南長沙410081）

蘇云金芽胞桿菌6618殺蟲菌株的分離和鑒定*

張晨，黃菲，陸秀青，謝俊雁，丁學知，夏立秋，孫運軍*

（湖南師范大學生命科學學院，湖南長沙410081）

從我國不同地區采集118份土樣，利用溫度篩選法分離獲得一株蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis，簡稱Bt）6618，鏡檢觀察發現該菌株能產生典型的菱形晶體，PCR分析表明其含有cry1類殺蟲基因。采用SDS-PAGE和質譜分析發現該菌株主要產生130 kD原毒素，其組分由Cry1Ae和Cry1Ac原毒素組成。基因序列分析表明該菌株的cry1Ac基因為已知的cry1Ac1，而cry1Ae為新型殺蟲基因。毒力生測表明該菌株對棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）幼蟲具有顯著的殺蟲效果。篩選獲得的高毒力Bt菌株6618為豐富我國蘇云金芽胞桿菌儲備和研發新型高效生物殺蟲劑提供了菌株資源。

蘇云金芽胞桿菌；菌株篩選；cry基因；質譜分析；殺蟲活性

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.04.013

蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis，簡稱Bt）具有高效特異的殺蟲活性和環境安全性，目前已發展為世界上產量最大的微生物殺蟲劑，在害蟲的綜合治理中具有非常重要的作用。Bt菌株在土壤、蟲尸和植物葉片等介質中具有非常廣泛的分布［1，2］。隨著Bt殺蟲劑的廣泛應用，其存在的問題也逐漸表現出來，例如殺蟲譜較窄、成本較高以及誘發害蟲抗性等問題。因此篩選新型Bt菌株和發掘新的殺蟲基因，對擴大Bt殺蟲譜及延緩害蟲抗性的產生具有非常重要的意義。

土壤是蘇云金芽胞桿菌生存的良好介質。由于土壤生態環境的多樣性，土壤的類型、pH值、腐殖質等特性的不同，都會影響Bt菌株的分離效率率。目前經常使用的分離方法主要有［3-6］:溫度篩選法、醋酸鈉選擇性篩選法、抗生素選擇性篩選法、醋酸鈉-抗生素篩選法。此外，隨著分子生物學技術的發展，越來越多的Bt殺蟲晶體蛋白基因得到鑒定，目前殺蟲基因鑒定方法主要有PCR-RFLP鑒定法、簡并引物鑒定法、多重PCR鑒定法、Exclusive PCR鑒定法、分子雜交鑒定法等［7-10］。研究發現，cry基因類型不同，其編碼的殺蟲晶體蛋白對不同種類昆蟲的殺蟲活性也會不同［11］。cry1、cry2、cry9基因編碼的毒素蛋白一般對鱗翅目害蟲具有特異殺蟲活性；cry3、cry7、cry8、cry18基因編碼的毒素蛋白通常對鞘翅目害蟲有特異毒性；cry2、cry4、cry10、cry11基因能編碼對雙翅目害蟲有特異毒性的毒素蛋白；另外，對線蟲有活性的特異性毒素通常由cry5、cry6、cry12基因編碼。本研究利用溫度篩選法，從土壤中篩選分離Bt新菌株，并對其殺蟲活性及殺蟲基因進行分析。

1　材料和方法

1.1材料

1.1.1培養基與培養條件 用到的培養基如下: BPA培養基（牛肉膏0.5%，蛋白胨1%，乙酸鈉3.4%，pH7.2-7.4）、BP培養基（牛肉膏0.3%，蛋白胨0.5%，NaCl 0.5%，瓊脂2%）、LB培養基（酵母提取物0.5%，氯化鈉1%，胰蛋白胨1%）、GYS培養基（（NH4）2SO40.2%，酵母提取物0.2%，K2HPO40.05%，葡萄糖0.1%，CaCl20.008%，MnSO40.005%，MgSO40.02%）。蘇云金芽胞桿菌培養溫度為30℃，大腸桿菌培養溫度為37℃。

1.1.2試劑、抗生素及使用濃度 PCR相關試劑購自南京諾唯贊生物科技有限公司，限制性內切酶購自TaKaRa公司，其它生化試劑購自中國國藥集團。PCR引物合成與基因測序由英濰捷基（上海）貿易有限公司完成。氨芐青霉素購自Sigma公司，使用終濃度為100 μg/mL。

1.2方法

1.2.1蘇云金芽胞桿菌的分離篩選 將塊狀土樣粉碎均勻，稱重1 g加入100 mL無菌水中溶解，強烈振蕩5 min使土壤中的菌體充分釋放出來。取1 mL上層懸浮液原液，通過加入無菌水進行梯度稀釋，使原液稀釋至10-3至10-7。取各稀釋度的樣品液0.5 mL加入4.5 mL BPA培養基，在30℃搖床中振蕩培養24 h。然后置于75℃水浴中加熱20 min，殺死非芽胞桿菌類微生物。待其冷卻后，取100 μL樣品液涂布于BP平板，30℃恒溫箱中倒置培養，挑取類似Bt單菌落接種于LB平板，鏡檢觀察其菌體形態。

1.2.2蘇云金芽胞桿菌的SDS-PAGE檢測 將Bt菌株接種于GYS液體培養基中，在恒溫搖床中振蕩培養（30℃，180 r/min）約60 h，直到菌體裂解并釋放晶體。提取芽胞晶體混合物進行SDS-PAGE檢測，考馬斯亮藍R-250染色后脫色，用蛋白膠掃描儀掃描結果并進行分析。

1.2.3蘇云金芽胞桿菌原毒素的質譜分析 切取SDS-PAGE膠塊上的目的蛋白條帶，對其進行膠內酶解，將酶解所得的肽段混合物復溶在40 μL 0.1%的甲酸溶液中，離心后取30 μL溶液到樣品瓶中，采用LTQ XL質譜儀（Thermo Fisher Scientific，USA）進行LC-MS/MS分析［12］。

1.2.4蘇云金芽胞桿菌的16S rRNA鑒定 提取Bt菌株基因組DNA，通過PCR擴增獲得該菌株16S rRNA的編碼序列，回收PCR產物后克隆pMD18-T載體并進行序列測定。

1.2.5蘇云金芽胞桿菌的殺蟲基因鑒定 提取Bt菌株的基因組作為PCR模板，采用cry1類基因通用引物［13］對其進行基因型鑒定。在此基礎上，用cry1Ac和cry1Ae基因的特異性引物擴增Bt菌株中的靶標基因，回收PCR產物并克隆至pMD18-T載體中，測序后進行序列比對分析。

1.2.6蘇云金芽胞桿菌的殺蟲毒力測定 Bt菌株培養60 h后，離心收集芽胞晶體混合物，生理鹽水懸浮后進行超聲波處理，蒸餾水洗滌后對芽胞晶體混合物進行冷凍干燥，稱重后加入無菌超純水制成適當濃度梯度的懸浮液，再與生測飼料充分混勻添加至24孔生測板，向每孔中加入1條棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）初孵幼蟲，每個濃度重復2次。將生測板置于28℃、60%濕度的光照培養箱中，記錄幼蟲死亡率，并用SPSS軟件計算半致死濃度LC50。

2　結果與分析

2.1蘇云金芽胞桿菌的篩選與16S rRNA序列分析

從全國各地不同土壤類型采集118份土樣，利用溫度篩選法分離純化蘇云金芽胞桿菌，其中一株被命名為Bt 6618菌株。鏡檢觀察顯示該菌株產生菱形伴胞晶體（圖1）。

圖1　Bt 6618菌株的晶體形態（箭頭所示為伴胞晶體）Fig.1　The shape of parasporal crystal produced by Bacillus thuringiensis strain 6618（The parasporal crystal was indicated by arrow）

擴增Bt 6618菌株的16S rRNA基因，克隆至pMD18-T載體后進行測序。在NCBI上對Bt 6618菌株的16S rRNA基因進行序列比對分析，結果表明與其同源性最高的是蘇云金芽胞桿菌Bt407，同源性為99%，Max score值為2 782，有3個堿基存在差異。

2.2蘇云金芽胞桿菌原毒素類型鑒定及相關基因分析

提取Bt 6618菌株芽胞晶體混合物并進行SDSPAGE電泳分析，結果顯示該菌株表達產生一條約130 kD的蛋白主帶，對照菌株HD-1產生130 kD和65 kD的蛋白主帶（圖2）。

圖2　Bt6618菌株芽胞晶體混合物的SDS-PAGE分析Fig.2　SDS-PAGE analysis of crystal-spore mixture from Bt 6618

切取SDS-PAGE膠塊上Bt 6618菌株產生的130 kD蛋白條帶，蛋白經膠內酶解后進行質譜檢測，利用SEQUEST搜庫軟件和芽胞桿菌蛋白質數據庫對質譜數據進行分析，發現該菌株的原毒素主要組分為Cry1Ac和Cry1Ae。其中鑒定到Cry1Ac原毒素有47個特異肽段，序列覆蓋率達67.66%，Cry1Ae原毒素鑒定到2個高可信的特異性肽段，序列覆蓋率為23.96%。表1列出了2D-LC-MS/MS技術鑒定的Bt 6618菌株的伴胞晶體原毒素及其相關信息。

表1　Bt 6618菌株伴胞晶體中原毒素組分的質譜鑒定Tab.1　Identification of protoxins produced by Bt 6618 through mass spectrometry analysis

根據原毒素的質譜分析結果，采用Cry1類原毒素編碼基因的通用檢測引物對Bt 6618菌株進行基因檢測。用cry1-Un1（d）/cry1-Un1（r）通用引物分析發現，Bt 6618菌株的確含有預期的cry1類基因。采用特異引物擴增發現，該菌株所含的cry1Ac基因序列與已經公布的cry1Ac1序列一致，而其cry1Ae基因與目前公布的cry1Ae基因序列不同，為新型cry1Ae基因。

2.3Bt 6618菌株的殺蟲毒力測定

提取Bt 6618菌株的芽胞晶體混合物并進行冷凍干燥，分析其對棉鈴蟲初孵幼蟲的毒力。72 h統計致死率后計算LC50值為5.50 μg/mL，95%置信區間為3.83-5.97 μg/mL。這表明Bt 6618菌株對棉鈴蟲初孵幼蟲具有良好的殺蟲效果，目前該菌株已在中國典型培養物保藏中心進行保藏（保藏編號: CCTCC NO:M2014451）。

3　討論

蘇云金芽胞桿菌在土壤中分布非常廣泛，根據統計，來自土壤的Bt菌株占到總數的70.4%。而Bt的分布也受到多方面因素的制約，例如氣候、植被、土壤腐殖質含量、土壤類型、pH值等理化特性等，這些都會顯著影響Bt在土壤中的分布數量。本研究從全國不同地區采集了118份土樣分離蘇云金芽胞桿菌，獲得了多株Bt菌株，說明利用溫度篩選法從土壤中篩選Bt菌株具有較好的出菌率。

在篩選獲得的Bt菌株中，Bt 6618菌株產生非常典型的菱形伴胞晶體，其大小比其它菌株的晶體要大，且殺蟲毒力相對較高。Bt 6618菌株能同時表達Cry1Ac和Cry1Ae原毒素，目前所報道的來自Bt菌株的cry1Ae基因只有一個，而其它類型的cry基因則有很多種，例如cry1Ac基因目前已經有38個亞類。在后續研究中，我們將對Bt 6618菌株中的cry1Ae基因進行異源表達和功能分析，這將為構建殺蟲工程菌及培育抗蟲轉基因植物提供高毒力的候選基因。

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Isolation and Characterization of an Insecticidal Bacillus thuringiensis Strain 6618

ZHANG Chen，HUANG Fei，LU Xiuqing，XIE Junyan，DING Xuezhi，XIA Liqiu，SUN Yunjun*
（College of Life Science，Hunan Normal University，Changsha 410081，Hunan，China）

118 soil samples were collected from different parts of our country and a new Bacillus thuringiensis strain 6618 was isolated by temperature screening method.This strain could produce typical bipyramidal crystal under microscope observation.PCR analysis showed that it contained cry1-type gene.SDS-PAGE analysis indicated that this strain expressed a major protein band about 130 kD，which was verified by mass spectrometry analysis to be the products of Cry1Ae and Cry1Ac protoxins.Sequence analysis showed that the cry1Ac gene in this strain was identical to the published cry1Ac1 gene，while the cry1Ae gene was found to be different from the known gene.The crystal-spore mixture of the strain 6618 exhibited high toxicity towards the larvae of Helicoverpa armigera.The isolated Bacillus thuringiensis strain 6618 with high toxicity will not only enrich the reserve of Bacillus thuringiensis strains of our country，but also provide resource for the development of new efficient biological pesticide.

Bacillus thuringiensis；strain screening；cry gene；mass spectrometry；insecticidal activity

Q939.1

A

1007-7146（2015）04-0373-04

2015-04-28；

2015-08-10

湖南省教育廳高校創新平臺開放基金項目（14K058）；湖南師范大學青年優秀人才培養計劃項目（ET13105）

張晨（1988-），女，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事殺蟲微生物的應用研究。（手機）15116309018；（電子郵箱）596377120@qq.com

孫運軍（1975-），男，漢族，湖南常德人，湖南師范大學副教授，博士，主要從事農業微生物的基礎與應用研究。（電話）0731-88872905；（電子郵箱）sunyj@hunnu.edu.cn