Endogenous Antimicrobial Substances in Houttuynia cordata and Their Application against Ralstonia solanacearum
This study focuses on the application of endogenous active substances in Houttuynia cordata (Thunb.) for the control and prevention of Ralstonia solanacearum in tobacco. It was found that Methyl Nonyl Ketone (MNK) can effectively inhibit the growth of the pathogen causing tobacco wilt disease. This paper systematically describes the extraction, purification, and identification process of MNK, and deeply analyzes its effects on the growth characteristics, inhibitory concentration 50% (IC 50), motility, and biofilm formation of the pathogen. The experimental results confirm the potential of MNK as a plant-derived active substance in the biological control of tobacco wilt disease, providing a new strategy for disease management.
Houttuynia cordata
随着新型杀菌剂的开发逐渐成为研究热点,天然植物源活性物质的探索受到了广泛关注。特别是中药材,因其显著的抑菌效果和较高的安全性而成为研究的焦点
鱼腥草(Houttuynia cordata Thunb.)作为药食两用植物的代表,其应用横跨临床、制药、生物发酵及食品等多个领域。研究表明,鱼腥草不仅具有抗炎、抗癌、抗衰老等多重药理作用
鱼腥草作为一种传统药材,在疾病预防和治疗方面显示出显著的潜力。然而,关于其对特定病原体如雷尔氏青枯菌(Ralstonia solanacearum)的抑制效果及其作用机制,目前的研究还相对有限。针对这一研究空白,本研究旨在深入挖掘鱼腥草叶片中对雷尔氏青枯菌的抑菌活性物质,以期为新型农药的研发和创新提供潜在的化合物资源。
于湖北省利川市(东经:108˚21';北纬:29˚42')采集野生鱼腥草叶片,由湖北大学生命科学学院黄岚杰老师鉴定并确认,方法为五点取样法,采集叶片于−80℃保存。雷尔氏青枯菌(Ralstonia solanacearum)采购自于上海迈瑞尔化学技术有限公司。
实验仪器包括:Spectra Max iD3酶标仪;Easysep-3030高效液相色谱仪;德国LABCONCO低温浓缩仪。
NA/NB培养基原材料、甲基正壬酮标品、红四氮唑、结晶紫染液于上海阿拉丁生化科技股份有限公司采购。
将鱼腥草叶片洗净后晾干,将剪碎的叶片放入研钵中,加入无水甲醇/去离子水直至覆盖住叶片,使用研杵碾碎叶片,将鱼腥草叶片完全碾碎后使用移液枪吸取液体转移至1.5 mL离心管中,1500 rpm离心5 min,吸取上清得到甲醇/水提取液。
本次实验选用NA/NB培养基,根据实验需要计算所需药品的量,用天平称取,加入适量蒸馏水溶解药品,混匀后用蒸馏水定容至目标体积,再将pH调至中性,分装培养基,0.101 MPa压力条件下灭菌30 min。NA/NB培养基配方如下:
NA固体培养基:蛋白胨:10.0 g/L;牛肉浸膏:3.0 g/L;氯化钠:5.0 g/L;琼脂:10 g/L;pH:7.2 ± 0.2;25℃;
NB液体培养基:蛋白胨:10.0 g/L;牛肉浸膏:3.0 g/L;氯化钠:5.0 g/L;pH:7.2 ± 0.2;25℃。
在培养皿中倒入NA固体培养基,吸取200 μL雷尔氏青枯菌菌悬液(OD600≈ 1.0)均匀涂布至培养基表面。使用灭菌枪头打孔后垂直加入40 μL待测药剂(以药物溶剂作为对照),按照如下公式计算待测药剂的抑菌效果。
(1)
式中r0为药剂组菌落半径,r为对照组菌落半径。
采用高效液相色谱分离抑菌物质。设定色谱条件,使用十八烷基硅烷键合硅胶为填充剂;设计流动相A相为色谱级甲醇,检测波长为300 nm,柱温为38℃;设置洗脱程序,采用等度洗脱的方式,设定流速为1.0 mL/min。采用平板对峙法验证各个物质的抑菌能力。
对具有较强抑菌效果的物质使用核磁共振仪鉴定物质种类,结合核磁氢谱、碳谱、二维谱分析结果鉴定化合物结构以验证。
取无菌96孔板置于超净工作台上,在样品测试组每孔加入100 μL菌悬液和100 μL不同浓度的青枯雷尔氏菌抑菌液,阳性对照组每孔加入100 μL菌悬液和100 μL的无水甲醇溶液,空白对照组加入200 μL NB液体培养基。将96孔板以封口膜密封,于28℃条件下培养24 h,设定酶标仪在600 nm下测定各孔在不同时间段的吸光值。按照如下公式计算抑菌率:
(2)
预先于96孔培养板中加入100 μL浓度为1 × 108CFU/mL的青枯雷尔氏菌(Ralstonia solanacearum)菌液,试验组加入100 μL的不同浓度青枯雷尔氏菌抑菌液,使其各孔的终浓度依次为12.5 mL/L,25 mL/L,50 mL/L,100 mL/L,设置空白对照(50 μL青枯雷尔氏菌菌悬浮液 + 150 μL营养肉汤)和阴性对照(50 μL青枯雷尔氏菌菌液 + 50 μL无水甲醇 + 100 μL营养肉汤),37℃培养24 h,利用酶标仪测定OD600值。
在Tans-Kersten等人
在杨姗姗等人的基础上
使用Peeters等人
使用R软件(v 4.2.2)进行统计学分析。数据至少来自三次独立的测量,统计分析采用单因素方差分析,P值小于0.05被认为是统计学上显著的。
采用平板对执法验证甲醇提取液和水提取液的抑菌效果,结果如
对甲醇提取液进行HPLC分离结果表明,在前10 min内,共鉴定出11个色谱峰(
对纯品化合物A使用Bruker AVIII-600核磁共振仪进行红外图谱鉴定物质种类,并结合核磁氢谱、质谱分析结果鉴定化合物结构以验证。
该化合物的1H-NMR谱中显示(
通过HSQC谱(
根据
通过以上分析,猜测该物质为甲基正壬酮(Methyl Nonyl Ketone),对甲基正壬酮标品进行液相分析发现,在相同程序的条件下,甲基正壬酮标准品的出峰时间与化合物A一致,故此,我们确定,单体化合物A为甲基正壬酮(Methyl Nonyl Ketone, MNK)。
采用96孔板技术评估青枯菌抑制剂对雷尔氏青枯菌生长的影响。实验结果如
采用微量二倍稀释法测定了青枯菌抑制剂对雷尔氏青枯菌的最小抑菌浓度,实验重复3次,按照公式(1)计算MNK抑菌率:
按照抑菌率的计算公式,分别计算抑菌液在不同浓度下的抑制效果,结果如下
MNK浓度(mL/L) |
12.5 |
25 |
50 |
100 |
抑菌率(%) |
48.779 |
52.336 |
57.151 |
59.712 |
48.779 |
59.266 |
58.021 |
61.042 |
|
65.806 |
66.227 |
70.900 |
71.028 |
|
平均值 ± 标准差 |
54.4555 ± 8.027 |
59.276 ± 5.671 |
62.024 ± 6.286 |
63.928 ± 5.050 |
使用GraphPad Prism 8软件对MNK的抑菌效果进行拟合,计算IC50(菌体生长抑制率为50%时的药物浓度)。
通过软件拟合的方程如下:
(3)
其中x为药物浓度(mL/L),y为抑菌率(%)。
通过GraphPad Prism 8软件计算,得出IC50= 3.883 mL/L,抑菌液浓度达到3.883 mL/L时,药物对雷尔氏青枯菌的抑制效果达到50%。
进一步研究了青枯菌抑制剂对雷尔氏青枯菌运动性的影响。结果显示(
细菌会趋向有利化学物质而规避有害化学物质,有效的药物抑制剂不仅能抑制青枯菌的生长,还能改变R. solanacearum的分布,影响微生态的群落组成及时空分布。与对照组相比,药物处理后毛细血管中R. solanacearum的数量均下降(
在0、12.5、25、50、100 mL/L的药物抑制剂浓度影响下,培养24 h后检查R. solanacearum的生物膜发展情况,结果如
MNK浓度 |
0 (培养基) |
12.5 mL/L |
25 mL/L |
50 mL/L |
100 mL/L |
吸光值OD600 |
0.0766 |
0.0955 |
0.1298 |
0.2624 |
0.7971 |
0.0721 |
0.0740 |
0.0850 |
0.1131 |
0.6473 |
|
0.0999 |
0.1299 |
0.1572 |
0.2873 |
0.7379 |
|
平均值 ± 标准差 |
0.0829 ± 0.0122 |
0.0998 ± 0.0230 |
0.1225 ± 0.0317 |
0.2209 ± 0.0769 |
0.7274 ± 0.0616 |
本研究集中探讨了鱼腥草叶片中的活性成分,并通过一系列系统的提取、分离及鉴定步骤,成功揭示了甲基正壬酮(MNK)作为其中的一种活性成分,对雷尔氏青枯菌(R. solanacearum)具有显著的抑菌活性。进一步的分析表明,MNK不仅能有效抑制R. solanacearum的生长,还能影响其运动性、趋化性,以及被膜形成能力。这些发现为开发针对植物病原细菌的新型生物防治策略提供了有价值的信息和潜在的候选化合物。
本研究中鱼腥草叶片的甲醇提取液实现了69%的抑制率,而在张丽的研究中
经过系统的提取、分离与鉴定流程,鉴定出甲基正壬酮(MNK)为鱼腥草叶片中一种有效抑菌活性成分,MNK对烟草青枯病病原菌–雷尔氏青枯菌(Ralstonia solanacearum)达到了75%的抑制效果,即使在较低浓度下(3.883 mL/L)也能实现R. solanacearum的半抑制效果,这进一步证明了挥发油在植物病原菌的防治中的潜力
本研究成功从鱼腥草(Houttuynia cordata Thunb.)叶片中提取并鉴定出具有显著抑菌活性的物质——甲基正壬酮(MNK),其对烟草青枯病病原菌雷尔氏青枯菌(Ralstonia solanacearum)展现出高效的抑制效果,半抑菌浓度(IC50)低至3.883 mL/L。MNK不仅能有效抑制病原菌生长,还影响其运动性和趋化性,并促进生物膜形成,为开发新型植物病原细菌生物防治剂提供了潜在的候选化合物,为植物病害的生物防治策略提供了新的视角。
中国烟草总公司重点科技项目(110202101047(LS-07));
中国烟草总公司重点科技项目(110202201019(LS-03));
湖北省烟草公司重点科技项目(027Y2022-023)。
*通讯作者。