王怡凡,劉 巍,朱其立,孫 敏,李延鋒,朱建強
(1.長江大學農(nóng)學院,湖北 荊州 434025;2.中化農(nóng)業(yè)(臨沂)研發(fā)中心有限公司,山東 臨沂 276000)
【研究意義】馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是廣泛消費的蔬菜之一,具有價格低、營養(yǎng)價值高等特點[1]。但是,馬鈴薯的生長發(fā)育過程極易受到病原微生物的侵染,加之不合理的種植管理模式以及自然環(huán)境惡化等因素的影響,其產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴重損失。馬鈴薯早疫病(Potato early blight)是為真菌性病害,其病原菌為茄鏈格孢菌(Alternariasolani)。此病害在我國馬鈴薯主要種植區(qū)普遍發(fā)生,已成為我國限制馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[2]?!厩叭搜芯窟M展】針對馬鈴薯早疫病害的防治,常采用化學防治的方法,其作用效果顯著。但長時間使用化學藥劑極易導致病原菌的抗藥性提高,防治效果愈加不理想[3-5],對食品安全和生態(tài)環(huán)境等造成嚴重威脅。在可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中,施用微生物防治植物病害是與環(huán)境兼容性好、成本效益高以及對靶標病原菌專一性強的防治方法。其中,芽孢桿菌具有定殖迅速、抗逆性強等特點,已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)植物病害的防治中[6]。李雙東等[7]分離獲得的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)EB-28對馬鈴薯晚疫病的生防效果可達74%以上。黃保全等[8]制成的枯草芽孢桿菌可濕性粉劑,對馬鈴薯晚疫病的防效可達80.59%。何建清等[9]研究表明拮抗菌株10-4的發(fā)酵原液對番茄早疫病的防效率可達77.2%。Aldiba等[10]研究結果表明,蘇云芽孢桿菌和木霉復配可在一定程度上降低茄鏈格孢菌對馬鈴薯植株的侵害。此外,芽孢桿菌可改變植物根系微生物群落結構,從而增加植物根系周圍有益微生物多樣性,并抑制病原菌的定殖[6]。婁義等[11]研究發(fā)現(xiàn),番茄植株接種芽孢桿菌后,植株根系土壤的微生物區(qū)系結構會發(fā)生變化,具體表現(xiàn)為有益細菌的種群數(shù)量增加,病原真菌的種群數(shù)量明顯減少。【本研究切入點】現(xiàn)階段,關于芽孢桿菌防治馬鈴薯早疫病害的研究報道還不多見,且芽孢桿菌添加后對馬鈴薯植株根系土壤微生物群落結構是否具有影響尚不清楚?!緮M解決的關鍵問題】本研究以馬鈴薯早疫病的致病菌茄鐮格孢菌(A.solani)為靶標病原物,分離篩選出對該病原菌具有明顯抑制效果和對此病害具有高效防治功能的菌株,并初步探究生防菌株處理后對馬鈴薯植株根區(qū)土壤微生物多樣性的影響,為豐富防治馬鈴薯早疫病功能菌種資源和開發(fā)新的植保產(chǎn)品提供科學基礎。
1.1.1 供試土樣 從山東省臨沂市河東區(qū)梅埠街道馬鈴薯種植區(qū)采集,在馬鈴薯早疫病植株周圍共采集土壤樣品10份。每份樣品重20 g,裝入采集袋,并放置于4 ℃冰箱備用[12]。
1.1.2 供試病原菌 茄鏈格孢菌ZH-Z01(GenBank登錄號:MW365320),由中化農(nóng)業(yè)臨沂研發(fā)中心分離保存。
1.1.3 供試競品菌劑 馬鈴薯專用菌劑,活菌數(shù)為8億/g。
1.1.4 供試馬鈴薯品種 荷蘭15號。
1.1.5 所用培養(yǎng)基 馬鈴薯葡萄糖瓊脂(Potato dextrose agar, PDA)培養(yǎng)基:馬鈴薯去皮200 g、葡萄糖20 g、瓊脂粉18 g、蒸餾水1000 mL[13];LB(Luria-Bertani,LB)液體培養(yǎng)基:胰蛋白胨1%、酵母粉0.5%、NaCl 1%、蒸餾水1000 mL[14];LB固體培養(yǎng)基:胰蛋白胨10 g、酵母粉5 g、NaCl 10 g、瓊脂粉18 g、蒸餾水1000 mL[13];燕麥瓊脂(Oatmeal agar, OMA)培養(yǎng)基:燕麥片3%、蒸餾水1000 mL 沸水浴1 h后過濾,濾液加入瓊脂粉1.4%,加熱溶化,定容至1000 mL[12];無機磷培養(yǎng)基(Pikovskays,PKO)參照王臻[15]。以上所配制的培養(yǎng)基均經(jīng)121 ℃滅菌20 min后備用[16]。CAS(Chrome azurol sulphonate)檢測液參考余賢美[17]。
1.2.1 土壤菌群分離 分別稱量10 g土樣裝于90 mL無菌水的三角瓶(250 mL)中,30 ℃、180 r/min振蕩培養(yǎng)30 min后,將土壤懸浮液分別10倍梯度[18],各吸取100 μL均勻涂布在LB固體培養(yǎng)基上[19],置于28 ℃,培養(yǎng)24 h后,挑選形態(tài)、大小及顏色各不相同的單菌落進行純化培養(yǎng),并編號保存[20]。
1.2.2 拮抗細菌的篩選 馬鈴薯早疫病菌ZH-Z01經(jīng)活化培養(yǎng),用d=8 mm的無菌打孔器沿病原菌ZH-Z01菌落邊緣獲取菌餅[19],轉(zhuǎn)接于PDA(d=90 mm)平皿中央,同時用滅菌牙簽在菌餅四周等距點接經(jīng)過純化的供試菌株進行對峙培養(yǎng),以只接種ZH-Z01的菌餅為對照(CK),每個處理均為3次重復。28 ℃恒溫倒置培養(yǎng),待CK長滿整個平皿時,十字交叉法測定菌落直徑的大小,分別計算抑菌率。初步篩選出具有拮抗效果的菌株,重復上述步驟,對其進行復篩[21],挑選出對病原菌ZH-Z01具有明顯抑制作用的菌株,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
抑菌率=(對照病原菌菌落直徑-處理病原菌菌落直徑)/對照病原菌菌落直徑×100%[22]
1.3.1 形態(tài)學特征觀察 挑選所篩選的拮抗菌株的單菌落,接種于LB固體培養(yǎng)基上,28 ℃培養(yǎng)1 d,記錄菌落形態(tài)特征,并在光學顯微鏡下鏡檢菌體的形態(tài)特征[23]。
1.3.2 生理生化特性測定 使用細菌生理生化鑒定管對供試菌株進行檢測,并參考《伯杰氏細菌系統(tǒng)鑒定手冊》[23-24]初步確定菌株的分類地位。
1.3.3 分子生物學鑒定 將拮抗菌株純化培養(yǎng)后,挑取單個菌落轉(zhuǎn)接至裝有20 mL LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃、170 r/min培養(yǎng)1 d[25]。16S rDNA序列擴增引物為27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和1492R(5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)[26];gyrB基因片段擴增引物為gyrB-F(5′-ATTTGG CGCTGGCGGTTAT-3′)和gyrB-R(5′-GGTTTCGGCTGGGCTGGTA-3′)[27],對拮抗菌株WK-1的基因組DNA進行PCR擴增。16S rDNA的PCR 反應體系為(25 μL):2×PCR Mix 12.5 μL,PrimerA(27F)1 μL,Primer B(1492R)1 μL,模板DNA1 μL,dd H2O 9.5 μL;反應程序參考王惠等[28]。gyr-B的操作過程參考16S rDNA。擴增產(chǎn)物與DNA marker比對后,委托北京擎科生物科技有限公司青島分公司完成基因測序。將所獲得的序列傳至NCBI網(wǎng)站中進行BLAST序列比對[27]。使用MEGA 7.0軟件,采用鄰位連接法(NJ)構建16S rDNA的系統(tǒng)發(fā)育進化樹[29],采用最大似然法(ML)構建gyrB基因的系統(tǒng)發(fā)育進化樹[30]。
選取健康新鮮的馬鈴薯,用無菌手術刀切成長寬高各為2.0、1.5、0.5 cm的塊莖切片,依次使用2% 次氯酸鈉溶液表面消毒10 min,75%酒精消毒5 min,無菌水清洗數(shù)次,浸泡于供試菌劑發(fā)酵液中30 min后,取出切片,接種馬鈴薯早疫病菌餅,空白對照組CK只接種早疫菌餅,陰性對照為市場菌劑發(fā)酵液,放置在帶有無菌濾紙的滅菌玻璃培養(yǎng)皿中,25 ℃,黑暗培養(yǎng)15 d,測定病斑面積,并記錄供試菌劑對馬鈴薯塊莖切片的影響,各處理均重復3次[29]。
塊莖病情分級標準如下[30]。0 級:塊莖上未出現(xiàn)菌絲體;1 級:塊莖上出現(xiàn)菌絲體,組織未降解;2 級:菌絲體覆蓋了塊莖面積的一半,組織未降解;3 級:菌絲體覆蓋了整個塊莖,組織未或者輕微降解;4 級:菌絲體覆蓋了整個塊莖,組織嚴重降解。
病情指數(shù)[31]=[Σ(病級數(shù)×該病級的塊數(shù))/(調(diào)查總數(shù)×最高病級數(shù))]×100
相對保護率[32]=[(對照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/對照病情指數(shù)]× 100%
采用平板對峙培養(yǎng)法[33]分別測定供試菌株對馬鈴薯黑痣病菌(Solanumtuberosum)、水稻紋枯病菌(Rhizoctoniasolani)、玉米大斑病菌(Xanthomonasoryzae)、小麥赤霉病菌(Fusariumgraminearum)、水稻惡苗病菌(Bakanaeoryzae)5種農(nóng)業(yè)病原菌生長影響(方法同1.2.2),以評價供試生防菌株的抑菌廣譜性[34]。
1.6.1 產(chǎn)鐵載體能力檢測 將供試拮抗菌株點接于CAS平板上,置于28 ℃,培養(yǎng)3 d,觀察拮抗菌株周圍可否產(chǎn)生溶解圈[35],每個處理各重復3次,并利用菌落計數(shù)器對透明圈外內(nèi)直徑比(D/d)進行測定。
1.6.2 解無機磷能力檢測 用滅菌牙簽將供試菌株點接于PKO培養(yǎng)基中,28 ℃培養(yǎng)2 d后,觀測拮抗菌株周圍是否產(chǎn)生溶解圈[36],每個處理各重復3次,并利用菌落計數(shù)器對透明圈外內(nèi)直徑比(D/d)進行測定。
用無菌打孔器沿活化培養(yǎng)的病原菌ZH-Z01邊緣打取d=8 mm的菌餅,接種在OMA(d=90 mm)培養(yǎng)基上,25 ℃倒置培養(yǎng)5 d[37],用無菌水洗下孢子,并將濃度調(diào)整為2.0×104個/mL,得到孢子懸浮液,置于4 ℃保存?zhèn)溆肹38]。拮抗菌劑WK-1為實驗室自行發(fā)酵并干燥的固體菌粉,有效活菌數(shù)為1180億/g。
供試土壤為山東省臨沂市河東區(qū)梅埠街道馬鈴薯種植區(qū)地表土(≤10 cm),土壤常規(guī)五項指標為:堿解氮13.12 mg/kg、有效磷40.32 mg/kg、速效鉀85.75 mg/kg、pH為6.7、有機質(zhì)8.10 g/kg,121 ℃ 滅菌3 h。盆缽規(guī)格為:盆口d=30 cm、盆底d=20 cm、盆高h=20 cm,每盆1株,室溫培養(yǎng)。盆栽試驗共有3個處理,各處理均為5個重復,每重復均為5株馬鈴薯植株。以只接種ZH-Z01為空白對照CK,病原菌和市場菌劑處理為T1,病原菌和拮抗菌劑WK-1處理為T2。在馬鈴薯植株12~16葉期時,先接種ZH-Z01孢子懸浮液,用移液槍滴加在葉片背部,并用滅菌棉簽均勻涂抹,用量為40 μL,每株分別滴加4片復葉。48 h后噴施市場菌劑及拮抗菌劑WK-1。接種3 d后開始進行病害跟蹤觀察,30 d后進行統(tǒng)計植株發(fā)病率、病情指數(shù)以及防效。病葉分級標準參考劉星辰[39]。
病情指數(shù)=[∑(病級葉數(shù)×該病級值)/(最高病級值×調(diào)查總?cè)~數(shù))]×100[40]
防效(%)=(對照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/對照病情指數(shù)×100[41]
為了驗證供試菌劑施用之后對土壤細菌多樣性的影響,待馬鈴薯盆栽防效跟蹤試驗結束后,去除表層土,在盆栽土壤10 cm下范圍內(nèi),采集根際土壤樣品混勻,土壤樣本過2 mm篩子后封存于無菌取樣袋,并編號標記,置于冰盒中保鮮運送至實驗室。-80 ℃超低溫冰箱保存,用以檢測微生物多樣性。將所采集的樣品送往生工生物工程(上海)股份有限公司,通過Illumina MiSeq測序技術檢測土壤微生物群落組成,進行微生物豐富度和多樣性分析[42]。
數(shù)據(jù)處理使用DPS 7.05軟件,采用Duncan’s新復極差法比較各處理間的差異性,應用MEGA 7.0軟件建立菌株系統(tǒng)發(fā)育樹。
經(jīng)過分離與篩選,獲得一株編號為WK-1的拮抗細菌,對靶標病原菌ZH-Z01的抑菌率達89%(圖1)。
圖1 拮抗細菌WK-1對病原菌平板抑菌測定
2.2.1 形態(tài)特征 將拮抗菌株WK-1接種于LB固體培養(yǎng)基上,30 ℃培養(yǎng)1 d后[43],菌落呈現(xiàn)微黃色(圖2),表面濕潤,不透明,鏡檢觀察其菌體為桿狀,兩端鈍圓,并且可產(chǎn)芽孢。
圖2 拮抗細菌WK-1形態(tài)及菌體顯微觀察
2.2.2 生理生化特性分析 拮抗細菌WK-1菌株生理生化測定結果表明(表1),該菌株為革蘭氏陽性菌,硫化氫、V-P及L-精氨酸雙水解酶反應為陰性,能夠利用葡萄糖、麥芽糖及乳糖等多種糖類,可還原硝酸鹽及水解淀粉。該菌株的生理生化特征檢測結果與盧志軍等[44]描述的枯草芽孢桿菌B.subtilis特征基本一致。
表1 拮抗細菌WK-1的生理生化特性
2.2.3 分子生物學鑒定 將測序所獲得的拮抗菌株WK-1的16S rDNA及gyrB基因片段序列上傳至GenBank數(shù)據(jù)庫中進行BLAST相似性比對分析,并用MEGA 7.0構建其系統(tǒng)發(fā)育樹。拮抗菌株WK-1的16S rDNA基因片段序列長度為1050 bp(GenBank登錄號:MW365324),gyrB基因片段序列長度為1042 bp(GenBank登錄號:MW884256)。BLAST比對結果顯示,拮抗菌株WK-1的16S rDNA序列及gyrB序列均與枯草芽孢桿菌B.subtilis的相似性最高。拮抗菌株WK-1系統(tǒng)發(fā)育樹結果為,在基于16S rDNA基因序列構建的系統(tǒng)發(fā)育樹中,該菌株與B.subtilis(HQ166109.1)的基因序列相似性最為接近,為99 %(圖3);在基于gyrB基因序列構建的系統(tǒng)發(fā)育樹中,該菌株與B.subtilis(EU711067.1)的基因序列相似性最高,為97%(圖4)。根據(jù)拮抗菌株WK-1的菌落形態(tài)、菌體顯微觀察、生理生化特征及分子生物學鑒定,將該菌株鑒定為枯草芽孢桿菌B.subtilis。
圖3 NJ法建立拮抗細菌WK-1的系統(tǒng)發(fā)育樹
圖4 ML法建立拮抗細菌WK-1的系統(tǒng)發(fā)育樹
2.2.4 拮抗細菌對馬鈴薯塊莖切片的防病效果 試驗結果(圖5)顯示,空白對照組的馬鈴薯塊莖切片被菌絲體全部覆蓋,組織降解嚴重,有黃色液體流出,具異味。市場菌劑與拮抗細菌WK-1處理組的塊莖切片水分飽滿,仍保持相對新鮮狀態(tài)。與市場菌劑相比,經(jīng)拮抗細菌WK-1處理,病情指數(shù)降低了21.66,防效增加了36.87%(表2)。
A:空白對照組,只接種病原菌;B:陰性對照,市場菌劑;C:WK-1菌劑。1:整體情況;2:為單個切片情況
表2 拮抗細菌WK-1對馬鈴薯塊莖切片的防病效果
2.2.5 拮抗細菌抑菌譜的測定 供試菌株抑菌圖譜如表3所示,根據(jù)十字交叉法測定其抑菌率得,其對馬鈴薯黑痣病菌、水稻紋枯病菌、玉米大斑病菌、小麥赤霉病、水稻惡苗病菌的抑制率分別為:53.07%、50.81%、62.95%、45.06%、51.07%??傻贸鲛卓辜毦鶺K-1菌株的抑菌效果具有廣譜性。
表3 拮抗細菌WK-1對5種農(nóng)業(yè)病原菌生長的影響
2.2.6 拮抗細菌WK-1菌株生物學功能 (1)產(chǎn)鐵載體能力。試驗結果表明,拮抗細菌WK-1菌株菌落周圍出現(xiàn)了透明圈(表4),相比于市場菌劑,拮抗細菌WK-1在CAS培養(yǎng)基上的外內(nèi)直徑比(D/d)增加98.27%(表5),說明該菌株具有產(chǎn)生鐵載體的能力。
(2)解無機磷能力。試驗結果表明,拮抗細菌WK-1菌株菌落周圍出現(xiàn)了溶磷圈(表4),相比于市場菌劑,拮抗細菌WK-1在PKO培養(yǎng)基上的外內(nèi)直徑比(D/d)增加71%(表5),從而初步判斷該菌株具有解無機磷的能力。
表4 拮抗細菌WK-1生物學功能定性檢測
表5 拮抗細菌WK-1在CAS、PKO培養(yǎng)基上的外內(nèi)直徑比
2.2.7 對馬鈴薯早疫病的防效及對土壤微生物的影響 馬鈴薯接種拮抗菌劑WK-1 30 d之后,結果(表6)表明,只接種病原菌ZH-Z01的處理組的病情指數(shù)達83.17;接種病原菌ZH-Z01與市場菌劑的處理組,其病情指數(shù)為61.46,防治效果為25.37%;病原菌ZH-Z01與拮抗菌劑WK-1共同處理的病情指數(shù)為21.22,顯著低于空白對照及市場菌劑處理的病情指數(shù),防效達到74.49%。此結果說明拮抗菌株WK-1可有效防治對馬鈴薯早疫病。
表6 拮抗細菌WK-1盆栽試驗驗證
ACE、Chao1及Shannon指數(shù)表示微生物菌群豐富度和多樣性。土壤微生物多樣性測定結果(表7)表明,與對照組相比,經(jīng)拮抗細菌WK-1處理后馬鈴薯根區(qū)土壤細菌Chao1、ACE及Shannon指數(shù)均有所上升;真菌Chao1、ACE及Shannon指數(shù)均有所下降。此外,土壤根區(qū)細菌與真菌的覆蓋度均大于98.5%。同時,土壤根區(qū)細菌群落結構在屬水平上有所變化,其中Gaiellalessp.(蓋勒氏屬)、Bacillussp.(芽孢桿菌屬)以及Streptomycessp.(鏈霉菌屬)等優(yōu)勢菌群的數(shù)量有所上升(圖6)。
表7 拮抗細菌WK-1對馬鈴薯植株根區(qū)土壤微生物多樣性的影響
CK-1、CK-2、CK-3為對照組土壤菌群數(shù)據(jù),WK-1、WK-2、WK-3為拮抗細菌WK-1處理組土壤菌群數(shù)據(jù)
枯草芽孢桿菌(B.subtilis)具有定殖能力強,易于分離篩選等優(yōu)勢,在植物病害生物防治方面發(fā)揮著重要作用[45]。已廣泛應用于甜瓜枯萎病、香蕉枯萎病、大豆根腐病、蘋果腐爛病、馬鈴薯軟腐病、水稻稻瘟病等多種植物病害的防治[42,46-47]。關于枯草芽孢桿菌防治馬鈴薯早疫病害的研究,主要集中在病害防效方面,而針對枯草芽孢桿菌的抑菌廣譜性、促生與防病能力以及對土壤根區(qū)微生物多樣性及群落結構的影響還較少[48]。本研究所獲得的拮抗菌株WK-1對馬鈴薯早疫病原菌ZH-Z01具有較好抑制作用,經(jīng)過多相鑒定分類體系將拮抗菌株WK-1歸類為枯草芽孢桿菌(B.subtilis),同時對該菌株的抑菌譜、促生、防病能力及對土壤微生物多樣性進行了相關的檢測,為進一步開發(fā)馬鈴薯早疫病生防菌種資源提供科學依據(jù)。
李佳佳等[49]分離篩選得到的拮抗菌株F3A具有溶解無機磷的能力,表明了該菌株在促進植物生長方面的能力。王俊麗等[50]的研究表明,解淀粉芽孢桿菌QD-10可產(chǎn)生嗜鐵素,在促進植物生長和抗病方面具有一定的作用。本研究結果表明,拮抗細菌WK-1具有產(chǎn)鐵載體以及溶解無機磷的能力。則說明拮抗細菌WK-1具有防病及促生的潛能。盆栽試驗結果說明,與其它2組處理相比,經(jīng)拮抗細菌WK-1處理的植株病級較低,其病情指數(shù)為21.22,防效達74.49%。此結果表明施用拮抗菌株WK-1可有效降低馬鈴薯植株的病情指數(shù)。在盆栽試驗中,防治效果受到拮抗菌株WK-1的定殖能力、微生物種群之間競爭以及植物體抗性能力等多種因素的影響。因此,本研究中拮抗菌株WK-1平板對峙的抑菌率與盆栽防治效果存在差異。張潔等[51]在研究報道中指出,枯草芽孢桿菌能夠改變土壤中微生物種群結構分布情況,使得土壤從“真菌”型轉(zhuǎn)化為“細菌”型,從而改良土壤環(huán)境。本研究施用拮抗細菌WK-1后,土壤中有益細菌多樣性有所上升,有害真菌的多樣性降低,這與詹發(fā)強等[52]的研究結果一致。推測其原因為拮抗細菌WK-1的添加,改善了土壤根區(qū)有益細菌的微環(huán)境,促進了有益細菌的定殖作用,不僅與病原真菌爭奪空間位點,而且可產(chǎn)生抗菌脂肽類等物質(zhì)抑制病原真菌的生長[53]。
本研究關于拮抗細菌WK-1抗病促生物質(zhì)的相關功能基因及作用機理分析還有待深層次的研究,并將通過優(yōu)化該菌株發(fā)酵條件,以便提高其對農(nóng)業(yè)病原真菌的抑制率,且進一步設置田間試驗進行防治效果的驗證,為實現(xiàn)拮抗菌株WK-1的廣泛應用提供充分的科學依據(jù)。
本研究篩選出1株對馬鈴薯早疫病具有較好拮抗效果的拮抗細菌WK-1,并關于該菌株的生物學功能、防治效果及對微生物豐富度和多樣性分析的影響進行了分析,結果表明拮抗菌株WK-1具有開發(fā)為防治馬鈴薯早疫病的潛力。