張 雁 袁 泉 劉莉莉 方明明 徐德聰
(合肥師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230601)
藍莓是杜鵑花科越橘屬植物,果實富含營養(yǎng),是我國新興的種植項目[1],在我省宣城、懷寧和合肥等地大量種植。藍莓在栽培中由真菌引起的病害達20多種[2-3],最常見的藍莓根腐病是藍莓產(chǎn)量下降的主要原因[4]。尖孢鐮刀菌可以導(dǎo)致多種植物病害[5],侵染藍莓根系時會導(dǎo)致藍莓根腐病[6]。尖孢鐮刀菌從植物根部入侵后,可損害植物的維管束,導(dǎo)致植物根冠腐爛[7-9]及減產(chǎn)或絕產(chǎn)[10]。藍莓根腐病的傳統(tǒng)治療方法為大量使用農(nóng)藥,不但成本高昂,還會造成嚴重的環(huán)境污染,并導(dǎo)致藍莓的經(jīng)濟價值下降。而生物防治溫和、安全、持久,可有效的避免化學(xué)防治的弊端。
菌根真菌可以提高植物的防御能力[11-12],減少相關(guān)疾病的發(fā)生[13]。藍莓的根系可以和內(nèi)生的真菌共生,形成菌根結(jié)構(gòu)[14],這些菌根真菌的菌絲在土壤中可以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可有效的擴大植株根系利用的土壤范圍,進而促進藍莓生長[15]。藍莓根部的細胞和組織能夠被菌根真菌的菌絲體侵染[16],最終可以增強藍莓的適應(yīng)性和抗病性,提升藍莓的產(chǎn)量[17]。因此,本研究從宣城、懷寧和合肥等地的藍莓根系中分離并鑒定出多種菌根真菌,并從中篩選出多株可以有效拮抗尖孢鐮刀菌的藍莓菌根真菌,對藍莓根腐病的生物防治中具有重要的應(yīng)用價值和應(yīng)用潛力。其中篩選出的拮抗尖孢鐮刀菌的棘孢木霉Hfsu02的拮抗能力最強,且可以有效侵染藍莓根系,具有防治藍莓根腐病等由尖孢鐮刀菌引起的植物病害的應(yīng)用價值。
DNA凝膠回收試劑盒(上海生工),真菌基因組提取試劑盒(上海生工),Taq DNA聚合酶(上海生工),其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。
PDA培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g,加適量(約500 mL)的去離子水煮熟,搗碎攪拌,用兩層紗布進行過濾,取濾液加入葡萄糖20 g,充分混勻并定容至1000 mL。
基礎(chǔ)培養(yǎng)基(馬丁氏改良):NH4NO35 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,KH2PO41.0 g,葡萄糖 10 g,微量元素混合液0.1 mL,定容至1000 mL。
培養(yǎng)基滅菌條件為121℃,20 min或115℃,20 min(含糖培養(yǎng)基)。
2018年4月從安徽宣城、合肥和懷寧地區(qū)藍莓種植園中采集生長年限均為5~6年的藍莓(奧尼爾品種)的藍莓根樣各5個樣品。用滅菌采樣袋分裝好,24 h內(nèi)分離菌根真菌。
菌根侵染使用優(yōu)化后的臺盼藍染色法[18]進行測定:無菌條件下,將根段切成1 cm長的根段,無菌水沖洗干凈,放入FAA固定液(38%甲醛5 mL+乙酸5 mL+50%酒精90 mL+甘油5 mL)固定15 min,取出后放在10%KOH/NaOH溶液95℃水浴1 h后用無菌蒸餾水沖洗至無色后染色(染液配方:臺盼藍 0.05 g+苯酚 20 g+乳酸 20 mL+甘油 40 mL+蒸餾水20 mL)12 h后用丙三醇(乳酸)中脫色30 min,通過光學(xué)顯微鏡觀察,計算侵染率,公式如下:
將根段剪成1 cm長,用無菌水沖洗干凈后采用表1的消毒方法對菌根表面的微生物進行消毒處理。因為不同的菌根真菌對不同的消毒劑的耐受性不同,本研究同時使用兩種消毒方法。通過預(yù)實驗優(yōu)化,這兩種方法均能有效抑制根系表面雜菌。方法一和方法二各采用不同的消毒劑進行兩步消毒。每次消毒之后使用無菌水清洗。
表1 藍莓菌根消毒方法
將不同消毒方法消毒過后的根段,放在PDA平板中30℃培養(yǎng)(一個平板上放置8~10段根段),篩選出不同的菌根真菌。挑取根段內(nèi)部長出的菌絲體到PDA液體培養(yǎng)基中,在30℃恒溫搖床中200 r/min振蕩培養(yǎng),菌液稀釋至10-5并用移液槍吸取0.2 mL涂布于PDA平板中,30℃培養(yǎng)至孢子生成,使用孢子濾器分離孢子,稀釋后涂布于PDA平板中,重復(fù)以上操作,直至獲得純化的單克隆。
使用真菌基因組提取試劑盒 (上海生工)進行總DNA提取,使用通用引物ITS1和ITS4進行PCR擴增ITS的部分序列。引物序列為ITS1,5′TCCGTAGGTGAACCTGCGG3′;ITS4,5′TCCTCCGCTTATTGATATGC3′。PCR 擴增條件:94℃預(yù)變性 5 min,循環(huán)條件是 94℃變性 30 s,55℃復(fù)性30 s,72℃延伸1.5 min,共35個循環(huán),最終72℃延伸10 min。擴增后的ITS序列使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,送生工生物工程(上海)有限公司測序。在NCBI中進行Blast比對,并使用軟件MEGA7.0構(gòu)建系統(tǒng)進化樹,確定分離菌株的種屬和分類地位。
利用濾紙片擴散法測抑菌效果:取尖孢鐮刀菌懸液0.1 mL均勻涂布在PDA培養(yǎng)基中,貼敷上浸過不同菌根真菌(除尖孢鐮刀菌外)液體培養(yǎng)懸液10 min的直徑為6 mm的濾紙片,用無菌水試片作為空白對照。30℃恒溫培養(yǎng)72 h,用十字交叉法測抑菌圈直徑。通過初篩篩選出的菌株,采用濾紙片擴散法進一步復(fù)篩,重復(fù)3次,統(tǒng)計分析結(jié)果。
吸取100 μL菌根真菌Hfsu02菌液接種于PDA固體培養(yǎng)基上,涂抹均勻。逐日觀察菌根真菌Hfsu02的菌落形態(tài)特征。取孢子懸液0.1 mL接種在PDA液體培養(yǎng)基中,30℃條件下200 r/min振蕩培養(yǎng)48 h,觀察形成的菌球的形態(tài)特征。
基礎(chǔ)培養(yǎng)基相比較于PDA培養(yǎng)基,成份更加穩(wěn)定,更適合研究Hfsu02的培養(yǎng)特性。在30 mL液體基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入200 μL菌根真菌Hfsu02的孢子懸液,200 r/min的振蕩培養(yǎng)48 h,通過稱干重法對菌根真菌Hfsu02的最適溫度、pH進行測定,然后在最適溫度和最適pH條件下測定Hfsu02在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的生長曲線。
最適pH的測定:設(shè)置的pH梯度為 3、4、5、6、7,每組設(shè)置三個平行。溫度選用真菌常規(guī)培養(yǎng)溫度30℃,200 r/min振蕩培養(yǎng)48 h,測量培養(yǎng)后菌絲體的干重,統(tǒng)計分析菌根真菌Hfsu02的最適pH。
最適溫度的測定:設(shè)置的溫度梯度為20℃、25℃、30℃和35℃,每個溫度設(shè)置三個平行,培養(yǎng)基pH調(diào)為最適,200 r/min振蕩培養(yǎng)48 h,測量培養(yǎng)后菌絲體的干重,統(tǒng)計分析菌根真菌Hfsu02的最適生長溫度。
生長曲線測定:在最適pH,最適溫度下,200 r/min振蕩培養(yǎng),定時稱量30 mL培養(yǎng)基中的菌絲干重,構(gòu)建棘孢木霉Hfsu02在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的生長曲線。
將安徽不同藍莓栽培土壤中的5~6年生奧尼爾品種的根段經(jīng)臺盼藍染液染色后,置于顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)不同土壤中的藍莓根系均有侵染現(xiàn)象(圖 1)。
圖1 安徽不同地區(qū)藍莓根系菌根侵染顯微圖(10×40)
其中圖1-A、圖1-B、圖1-C為宣城地區(qū)紅壤栽培藍莓根系侵染形態(tài),其菌根真菌既有根外菌絲(圖1-A、圖1-B),又有胞間貫穿菌絲和胞內(nèi)菌絲團(圖 1-C);圖1-D、圖1-E、圖 1-F為合肥地區(qū)改良水稻土栽培藍莓根系侵染形態(tài),侵染的菌根真菌多為外生菌絲(圖 1-D、圖 1-E、圖1-F);圖1-G、圖1-H、圖1-I為懷寧地區(qū)紅黃壤栽培藍莓根系侵染形態(tài),侵染的菌根真菌即有外生菌絲(圖1-G、圖1-H)又有胞內(nèi)菌絲團和胞間貫穿菌絲(圖 1-I)。
根據(jù)觀察結(jié)果,統(tǒng)計安徽省各地區(qū)不同土壤栽培的藍莓根系菌根真菌侵染率(表2)。
表2 安徽不同地區(qū)藍莓菌根真菌侵染率(%)
在安徽宣城地區(qū)中紅壤栽培的藍莓根系中純化出7種形態(tài)不同的菌根真菌,在合肥地區(qū)改良水稻土栽培的藍莓根系中純化出6種菌根真菌,懷寧地區(qū)紅黃壤中純化出4種菌根真菌,經(jīng)鑒定后排除污染菌株,統(tǒng)計菌株及其在PDA培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)特征(表3)。
表3 安徽不同藍莓栽培土壤中藍莓根系真菌菌株形態(tài)特征
PCR擴增結(jié)果顯示,篩選出的菌根真菌的ITS序列擴增條帶較為清晰,條帶長度在500~750 bp,符合預(yù)期(圖2)。條帶純化后,送上海生工測序。
圖2 17種藍莓菌根真菌ITS序列PCR產(chǎn)物電泳圖
將測序結(jié)果在NCBI數(shù)據(jù)庫進行Blast序列比對,根據(jù)比對的結(jié)果,選取真菌中和測序鑒定結(jié)果相關(guān)主要的種屬,獲取代表種的ITS序列,以Colletotrichumcoccodes和Saccharomyces cerevisiae作為外類群,共47個ITS序列使用鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)進化樹(圖3)。
圖3 安徽不同地區(qū)藍莓菌根真菌系統(tǒng)進化樹(NJ法)
分析地位。經(jīng)鑒定,從根系分離出的真菌共分屬六個屬,其中 Xcsu02、Xcsu03、Xcsu04、Hfsu02和Hfsu03和相關(guān)菌種聚為E組,為木霉屬(Trichoderma),是分離株數(shù)最多的優(yōu)勢菌屬;Xcsu05、Xcsu06、Hfsu05、Hnsu01 和相關(guān)菌種聚為D組,分屬于鐮刀菌屬(Fusarium)顯示三地藍莓均存在不同程度的根腐病感染;Xcsu07、Hnsu04、Hnsu06、Hnsu03和相關(guān)菌種聚為B組,分屬于曲霉屬(Aspergillus);Hfsu01、Hnsu02 和相關(guān)菌種聚為 A組,分屬于青霉屬(Penicillium);Hfsu04和相關(guān)菌種聚為C組,分屬于枝孢屬(Cladosporium);Xcsu08和相關(guān)菌種聚為F組,分屬于Rhizopus(根霉屬)。具體比對鑒定結(jié)果見表4。
表4 安徽不同地區(qū)藍莓根系菌根真菌分子鑒定結(jié)果
在安徽宣城紅壤篩選出的7株菌株中,有3株為木霉屬,2株為鐮刀菌屬,1株為曲霉屬,1株為根霉屬,篩選出的菌株數(shù)量最多;在合肥地區(qū)所篩的6株菌株中,分屬于5個菌屬,為青霉屬、木霉屬、枝孢屬、鐮刀菌屬和曲霉屬;在懷寧地區(qū),共篩選出3種菌屬,為鐮刀菌屬,青霉屬和曲霉屬。由表4可知,木霉屬的菌根真菌占所鑒定菌株的29.4%,為優(yōu)勢種。鐮刀菌屬的真菌侵染,在三個不同地區(qū)均有發(fā)現(xiàn),占所篩菌株的23.5%,尤其以宣城為多。曲霉屬的菌根真菌同為亞優(yōu)勢種,占所篩菌株的23.5%,而其他的菌屬數(shù)量則較少。
取藍莓根系中共篩選出13株菌根真菌 (尖孢鐮刀菌除外),基于對尖孢鐮刀菌的抑菌圈大小初步篩出6株可有效拮抗的菌根真菌,結(jié)果見表5。
將此6株菌株進行三組平行試驗,進行后續(xù)實驗,以無菌水試片作為空白對照。在30℃恒溫培養(yǎng)72 h,用十字交叉法測抑菌圈直徑(圖4)。
觀察抑菌圈,統(tǒng)計抑菌圈大小,結(jié)果如表6所示。
表5 拮抗菌株對尖孢鐮刀菌的抑制作用
圖4 拮抗尖孢鐮刀菌的藍莓菌根真菌的抑菌效果
表6 拮抗菌株對尖孢鐮刀菌的抑制作用
從表6和圖4可知,這6株初篩的拮抗菌株對尖刀鐮刀菌均具有一定的抑菌效果。其中菌株Hfsu02(棘孢木霉)抑菌效果最明顯,抑制圈直徑達到1.72±0.19 cm,通過SPSS進行方差分析后可知六種拮抗菌拮抗作用差異顯著 (f=16.386,p=0.001),Hfsu02的抑菌效果顯著性高于其他菌株(p<0.05),因此后續(xù)實驗選用拮抗菌棘孢木霉Hfsu02進行。
棘孢木霉Hfsu02在PDA固體培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)如圖5所示。
圖5 不同培養(yǎng)時間下棘孢木霉Hfsu02菌落圖片
表7 不同培養(yǎng)時間下棘孢木霉Hfsu02的菌落形態(tài)特點
觀察不同培養(yǎng)時間的棘孢木霉Hfsu02的菌落變化特點,其形態(tài)變化規(guī)律統(tǒng)計如表7。
使用PDA培養(yǎng)基液體搖瓶培養(yǎng)時,棘孢木霉Hfsu02菌絲纏繞形成大小不一的菌絲球 (圖6),培養(yǎng)24 h后,菌絲球呈米粒般大小,表面光滑,呈白色,菌液無色,呈微渾濁狀。培養(yǎng)48 h后,菌絲球體積變大,數(shù)量變多,且顏色由白色轉(zhuǎn)變?yōu)槿辄S色。溶液由透明色轉(zhuǎn)為淡黃色,且溶液變渾濁。顯微觀察發(fā)現(xiàn),此時溶液由透明色轉(zhuǎn)為淡黃色且渾濁,是因為棘孢木霉Hfsu02在培養(yǎng)48 h小時后,在PDA液體培養(yǎng)基中產(chǎn)生了大量分生孢子。在液體培養(yǎng)時易產(chǎn)孢子,也是棘胞木霉的特征之一,目前棘胞木霉工業(yè)上主要也是通過優(yōu)化液體培養(yǎng)條件來獲取大量的孢子懸液[19-20]。因此棘孢木霉Hfsu02也可以通過液體培養(yǎng)來方便的獲取大量孢子,便于生產(chǎn)應(yīng)用。
由圖6可以看出,棘孢木霉所產(chǎn)分生孢子為圓球形或卵圓形,顏色淡黃至深綠,大小均一,符合棘孢木霉的特征。
圖6 搖瓶培養(yǎng)不同時期棘孢木霉Hfsu02特征
棘孢木霉Hfsu02最適宜生長的溫度、pH使用基礎(chǔ)培養(yǎng)基測定。通過單一變量的變化,200 r/min的振蕩培養(yǎng)48 h后測量不同培養(yǎng)條件下30 mL培養(yǎng)基中棘孢木霉Hfsu02菌絲體干重,結(jié)果見圖7。
圖7 不同培養(yǎng)條件下棘孢木霉Hfsu02培養(yǎng)48 h菌絲體干重
由圖7-A結(jié)果可知,棘孢木霉Hfsu02在不同pH條件下生長狀況不一樣。五種pH下菌體干重的差異達顯著水平(p<0.05),多重比較后可以得出,pH為4.0時棘孢木霉Hfsu02菌體干重顯著性高于 pH為 3.0、5.0、6.0、7.0時的菌體干重,同時pH為3.0時棘孢木霉Hfsu02菌體干重顯著性低于與其它pH培養(yǎng)下菌體干重,pH為5.0、6.0、7.0時菌體干重差異非顯著性。綜合考慮,基礎(chǔ)培養(yǎng)基pH為4.0時菌體生長狀況最好,為棘孢木霉的Hfsu02最適生長溫度,但當(dāng)pH小于4.0后對菌體生長有極強的負影響。
由圖7-B結(jié)果可知,棘孢木霉在不同溫度下生長速率不一。四種溫度下菌體干重差異達顯著水平(P<0.05),多重比較后可以得出,在基礎(chǔ)培養(yǎng)基(pH=4.0)培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)溫度為25℃時棘孢木霉Hfsu02菌體干重顯著性高于其他溫度,而溫度培養(yǎng)溫度為20℃、30℃和 35℃時,棘孢木霉Hfsu02菌體干重的差異不顯著,綜合考慮,基礎(chǔ)培養(yǎng)基(pH=4.0)培養(yǎng)條件下25℃時菌體生長狀況最好,為棘孢木霉Hfsu02的最適生長溫度。
使用基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)棘孢木霉Hfsu02,培養(yǎng)溫度25℃,pH調(diào)整為4.0。搖瓶培養(yǎng)體積為30 mL條件下,接種棘孢木霉200 μL均勻孢子懸液(濃度為105/mL),培養(yǎng)后定時定量測得不同時期菌體干重,繪制生長曲線,如圖8所示。
圖8 棘孢木霉Hfsu02優(yōu)化培養(yǎng)條件下的生長曲線
從圖8可知棘孢木霉在0~8 h期間為延滯期,12~112 h為指數(shù)生長期,菌株生長速率較快,112 h之后菌株達到穩(wěn)定生長期,生長速度緩慢,最高產(chǎn)量為2.76 g/L。
菌根真菌可以促進藍莓對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,并具有對有害微生物的拮抗能力。野生藍莓基本上均侵染了菌根真菌[14],而在人工種植時,侵染率較低。本研究顯示,宣城地區(qū)種植園中紅壤和合肥地區(qū)種植園中改良水稻土栽培的藍莓根系的侵染率相對較高,分別為43.33%和36.66%,而懷寧地區(qū)紅黃壤中藍莓根系侵染率較低為20.00%,菌根侵染率低于野生環(huán)境,這可能是人工種植藍莓易出現(xiàn)各種疾病的原因之一。在選擇藍莓栽培土壤時,可以優(yōu)先選擇侵染率較高的土壤類型。目前在建設(shè)藍莓種植園時,普遍使用硫磺等物質(zhì)處理土壤,使土壤的理化性質(zhì)適宜,但是缺少對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)維持和改造的考慮。因此,對改造后的土壤,可以考慮加入適當(dāng)?shù)拇偕⑸?,改善土壤微生物結(jié)構(gòu),促進藍莓的菌根侵染。
對安徽不同地區(qū)的藍莓菌根形態(tài)觀察表明,菌根主要表現(xiàn)為外生菌根,但懷寧地區(qū)和宣城地區(qū)的藍莓根系中也有胞間貫穿菌絲和胞內(nèi)菌絲團,侵染形式更加多樣。合肥地區(qū)的藍莓種植土壤中可考慮加入能形成胞內(nèi)寄生的菌根真菌,提高侵染的多樣性。本研究從安徽不同地區(qū)栽培的藍莓根系中共分離出17株內(nèi)生菌,共6種菌屬。其中木霉屬(Trichoderma)數(shù)量最多,為5株,為安徽藍莓根系中內(nèi)生的優(yōu)勢真菌。拮抗實驗表明,大部分的木霉菌均可拮抗尖孢鐮刀菌,是一類促進藍莓抗病性的菌根真菌[21]。4株屬于鐮刀菌屬(Fusarium),各地區(qū)藍莓根系中均有發(fā)現(xiàn),說明在安徽各地區(qū),尖孢鐮刀菌的侵染普遍存在,是威脅藍莓健康生長的主要致病菌[22],對尖孢鐮刀菌的進一步研究對藍莓根腐病的防治提供理論依據(jù)。其余4株屬于曲霉屬(Aspergillus),2株屬于青霉屬(Penicillium),1 株屬于枝孢屬(Cladosporium),1株屬于根霉屬(Rhizopus)。青霉屬的菌株一方面可以拮抗其它有害微生物,促進藍莓生長,但在藍莓果實貯藏、運輸?shù)倪^程中導(dǎo)致果實減產(chǎn)[23],枝孢屬(Cladosporium)也是一種植物治病菌[24],可對藍莓病原菌進行治理和防治。
安徽宣城地區(qū)的紅壤,所篩菌株數(shù)目最多,種類也較豐富。這可能是因為紅壤為酸性土壤,且微生物資源豐富,適宜藍莓種植,對其土壤的人工改造不多,保留了較多的微生物類群。而合肥大圩地區(qū)的改良水稻土雖然經(jīng)過硫磺等化學(xué)物質(zhì)改造,但因為其富含腐殖質(zhì),導(dǎo)致侵染的菌根真菌的種類較多。懷寧地區(qū)藍莓根系侵染率較低,且分離的菌根真菌種類較少,需要特別注意土壤微生物群落的改造。
藍莓根腐病致病菌大多為尖孢鐮刀菌,故尋找降低甚至殺死尖孢鐮刀菌的生物防治方法方法成為當(dāng)務(wù)之急。目前發(fā)現(xiàn)的拮抗尖孢鐮刀菌的生防菌大多為木霉菌、叢枝根菌和芽孢桿菌,而本研究分離的棘孢木霉Hfsu02等多株木霉屬菌根真菌可有效拮抗尖孢鐮刀菌,說明木霉類群普遍在尖孢鐮刀菌的生物防治上具有一定的效果,在藍莓根腐病的生物防治方面,具有較好的應(yīng)用潛力和應(yīng)用價值。
棘孢木霉作為生防微生物,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有重要作用。為提高棘孢木霉Hfsu02的生長速率,本研究探究了關(guān)于以下幾個因素:碳源、氮源、溫度及pH對其生長狀況的影響。研究表明溫度與pH對菌體生長狀況的影響較大,其中最適于棘孢木霉Hfsu02的生長溫度為25℃,最適的pH=4,此結(jié)果與李琳等[25]研究的棘孢木霉T31的最適溫度30℃,最適的pH=6不相同,其對酸性條件的適應(yīng)性和其長期生存在改造后的酸性土壤中(實測pH=3.2)有關(guān)。棘孢木霉Hfsu02的最適pH和藍莓對土壤的酸堿性近似,有利于其與藍莓根部的共生,相比其它棘孢木霉,更適用于防治藍莓根腐病。本研究對棘孢木霉Hfsu02最適溫度、最適pH的測定以及其在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中液體培養(yǎng)的生長曲線測定,為棘孢木霉Hfsu02的大規(guī)模培養(yǎng)和接種提供了理論依據(jù),對擴大藍莓產(chǎn)量和質(zhì)量,預(yù)防藍莓疾病具有重要的應(yīng)用價值。