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        美國(guó)薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病研究進(jìn)展

        2022-06-24 07:15:21曹凡王瑩郭聰陳燕李玉娟
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:熒光定量PCR

        曹凡 王瑩 郭聰 陳燕 李玉娟

        摘要:薄殼山核桃是高檔干果樹(shù)種,不僅經(jīng)濟(jì)效益高,也是優(yōu)良的行道樹(shù)和庭蔭樹(shù),適于河流沿岸、湖泊周圍及平原地區(qū)“四旁”綠化,具有極大的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病是由木質(zhì)部難養(yǎng)菌引起的,可導(dǎo)致病株嚴(yán)重落葉、堅(jiān)果質(zhì)量和果仁質(zhì)量下降,造成巨大的產(chǎn)量損失。本文從薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病的病原概述、病癥表現(xiàn)及檢測(cè)手段等方面進(jìn)行綜述,以期對(duì)該病害有更全面的了解,并且針對(duì)今后檢測(cè)技術(shù)、防治措施及抗病品種培育等研究方向提出合理化建議,旨在為我國(guó)薄殼山核桃成熟果園病害防治研究提供參考。

        關(guān)鍵詞:美國(guó)山核桃;木質(zhì)部難養(yǎng)菌;酶聯(lián)免疫法;熒光定量PCR;細(xì)菌性葉枯病

        中圖分類號(hào):S436.64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):1002-1302(2022)12-0018-04

        收稿日期:2020-11-05

        基金項(xiàng)目:江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào): CX(19)3121]。

        作者簡(jiǎn)介:曹 凡(1990—),男,江蘇南通人,博士,主要從事經(jīng)濟(jì)林育種與栽培研究。E-mail: caofan90@126.com。

        通信作者:李玉娟,副研究員,主要從事觀賞苗木育種與栽培技術(shù)研究。E-mail: lyglyj90@sohu.edu.cn。

        薄殼山核桃(Carya illinoinensis)為胡桃科山核桃屬,原產(chǎn)于北美洲,別稱美國(guó)山核桃、長(zhǎng)山核桃等,英文名為pecan,俗稱碧根果,是世界上重要的果、油、材、林兼用的多用途、多效益木本植物之一[1-2]。薄殼山核桃在食品加工、藥用功能、木材用料、園藝栽培等多個(gè)方面都有著極高的應(yīng)用價(jià)值[3]。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)外農(nóng)業(yè)服務(wù)部門海外農(nóng)業(yè)服務(wù)局(FAS)的數(shù)據(jù),自2012年以來(lái),美國(guó)的薄殼山核桃全球出口量增長(zhǎng)了30%以上。除了其原產(chǎn)地以外的國(guó)家,中國(guó)、南非、澳大利亞、烏拉圭、阿根廷和巴西等國(guó)家和地區(qū),目前都在規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化地引進(jìn)種植薄殼山核桃,預(yù)計(jì)未來(lái)30年在全世界范圍內(nèi),薄殼山核桃產(chǎn)量會(huì)不斷增加[4-7]。

        細(xì)菌性葉枯?。╞acterial leaf scorch,PBLS),別稱細(xì)菌性葉焦病或葉灼病,是影響薄殼山核桃的一種重要病害,該病害已經(jīng)被證實(shí)發(fā)生在美國(guó)東部和南部,包括加利福尼亞州、佐治亞州、路易斯安那州、德克薩斯州、新墨西哥州和亞利桑那州[8-9]。細(xì)菌性葉枯病會(huì)導(dǎo)致薄殼山核桃易感病品種在生長(zhǎng)季結(jié)束前50%的樹(shù)冠葉片過(guò)早脫落,這也導(dǎo)致了其果園產(chǎn)量損失超過(guò)450美元/hm2[10]。此外,該病害也會(huì)對(duì)來(lái)年開(kāi)花和隔年結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,細(xì)菌性葉枯病被認(rèn)為是在世界范圍內(nèi)傳播的一個(gè)新興問(wèn)題[11]。關(guān)于薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病,美國(guó)農(nóng)業(yè)部、佐治亞大學(xué)、德州農(nóng)工大學(xué)、新墨西哥大學(xué)等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的植物病理專家學(xué)者都有相關(guān)研究報(bào)道[12]。本文擬對(duì)美國(guó)薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病方面的研究工作進(jìn)行綜述,旨在為今后我國(guó)薄殼山核桃成熟果園病害防治研究提供參考。

        1 病原概述

        薄殼山核桃葉枯病根據(jù)病原不同可分為細(xì)菌性病害和真菌性病害。其中,薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病是由木質(zhì)部難養(yǎng)菌(Xylella fastidiosa)引起的,這是一種習(xí)居于木質(zhì)部維管的細(xì)菌?!癋astidious”意為其存在復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)需求,很難用常規(guī)細(xì)菌學(xué)方法進(jìn)行培養(yǎng)。而木質(zhì)部維管也表明了其機(jī)體活動(dòng)受植物木質(zhì)部的限制。木質(zhì)部難養(yǎng)菌寄居于植物根、莖、葉等木質(zhì)部,可以通過(guò)阻塞植物導(dǎo)管內(nèi)養(yǎng)分與水分的運(yùn)輸,從而引起植物葉片枯斑、萎黃、果實(shí)萎蔫,甚至導(dǎo)致植株死亡。

        木質(zhì)部難養(yǎng)菌作為病原其導(dǎo)致最為嚴(yán)重的病害是葡萄皮爾斯病。在1892年,葡萄皮爾斯病給美國(guó)加州南部數(shù)萬(wàn)公頃的葡萄園造成了毀滅性的損害[13]。一直到1973年,木質(zhì)部難養(yǎng)菌與其關(guān)聯(lián)的葡萄皮爾斯病才一同被研究報(bào)道[14]。自此之后,各類研究發(fā)現(xiàn)超過(guò)20種以上的植物病害與木質(zhì)部難養(yǎng)菌有關(guān),涉及至少309個(gè)植物種類,如杏、榆、櫟、懸鈴木、桑等的葉焦病,紫花苜蓿的矮縮病,李的葉灼病及柑橘的雜色褪綠病等。1997年,薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病由木質(zhì)部難養(yǎng)菌作為病原被正式報(bào)道[15]。2015年,在美國(guó)全國(guó)山核桃作物咨詢委員會(huì)的會(huì)議上,薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病被正式確定為國(guó)際上薄殼山核桃行業(yè)的一個(gè)新興問(wèn)題。

        2 癥狀表現(xiàn)

        2.1 病害癥狀

        細(xì)菌性葉枯病主要是因?yàn)槟举|(zhì)部難養(yǎng)菌阻礙了薄殼山核桃樹(shù)體內(nèi)水分與養(yǎng)分的輸送,導(dǎo)致樹(shù)體葉片焦黃、萎蔫和過(guò)早凋落。焦斑首先會(huì)出現(xiàn)在小葉邊緣,然后向葉片中脈感染。葉片感染的區(qū)域可以通過(guò)肉眼清楚界定,葉片上的壞死組織與健康組織之間有深色的邊緣。葉片癥狀表現(xiàn)以及落葉的情況通常出現(xiàn)在老枝小葉上,或是僅受限于單一枝條,或是整個(gè)植株都有該病癥表現(xiàn),受感染的病株每年都會(huì)有不同程度的癥狀表現(xiàn)。細(xì)菌性葉枯病通常在生長(zhǎng)季中后期表現(xiàn),主要在6—8月份出現(xiàn)。當(dāng)薄殼山核桃種植園內(nèi)的果樹(shù)處于較大負(fù)載,或是干旱脅迫,或是其他脅迫條件下,木質(zhì)部難養(yǎng)菌所導(dǎo)致的細(xì)菌性葉枯病則更加嚴(yán)重。

        2.2 傳播方式

        導(dǎo)致薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病傳播的方式有很多種,其中最主要的一種傳播方式是昆蟲(chóng)傳播。以美國(guó)本土沫蟬、葉蟬等以薄殼山核桃木質(zhì)部為食的昆蟲(chóng),可以將其自身攜帶的木質(zhì)部難養(yǎng)菌通過(guò)取食處傷口直接傳播至植株體內(nèi)。除此之外,嫁接也是一種接穗與砧木之間相互傳播木質(zhì)部難養(yǎng)菌的方式,研究發(fā)現(xiàn)感染接穗有21%概率傳染未感染砧木,而感染砧木有85%概率傳染未感染接穗。另外,通過(guò)對(duì)感染母株果實(shí)內(nèi)木質(zhì)部難養(yǎng)菌的檢測(cè),發(fā)現(xiàn)母株攜帶的木質(zhì)部難養(yǎng)菌可以傳播給子代。

        2.3 感病品種

        薄殼山核桃早熟品種凱普·費(fèi)爾(Cape Fear)因其種子極高的飽滿度和果仁極佳的金黃色澤而一度受到種植者的推崇,但是它被證實(shí)是細(xì)菌性葉枯病的易感品種[10]。目前,Cape Fear因細(xì)菌性葉枯病造成的損失被分析研究,其也成為了研究薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病的代表品種。細(xì)菌性葉枯病是影響薄殼山核桃正常生長(zhǎng)的一種較新發(fā)現(xiàn)的病害,其具體的發(fā)生情況與潛在危害尚有很多待進(jìn)一步研究的方面。薄殼山核桃不同品種之間,對(duì)于細(xì)菌性葉枯病感染的嚴(yán)重程度也有所不同。研究發(fā)現(xiàn),約有20多種薄殼山核桃品種易受木質(zhì)部難養(yǎng)菌感染而導(dǎo)致葉枯病,其中Cape Fear被認(rèn)為與細(xì)菌性葉枯病的關(guān)聯(lián)性最大。在受到細(xì)菌性葉枯病感染最嚴(yán)重的地區(qū),受到感染的Cape Fear果樹(shù)較未感染的植株在生長(zhǎng)季末期的落葉量增加了58%,總質(zhì)量下降24%,果實(shí)質(zhì)量下降10%~13%,果仁質(zhì)量下降14%~19%,總產(chǎn)量下降約12%,果園產(chǎn)量總損失超過(guò)466美元/hm2。而細(xì)菌性葉枯病對(duì)于其他薄殼山核桃品種造成的經(jīng)濟(jì)損失尚不確定。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部薄殼山核桃育種中心的觀測(cè)清理,目前尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌性葉枯病抗性較強(qiáng)的薄殼山核桃優(yōu)良品種,包括美國(guó)本土野生的薄殼山核桃也屬于易感染類型。除了Cape Fear之外,巴頓(Barton)、夏延(Cheyenne)、奧克尼(Oconee)、波尼(Pawnee)、羅馬(Rome)和薩姆納(Sumner)等都是易感細(xì)菌性葉枯病的薄殼山核桃品種。

        3 檢測(cè)手段

        薄殼山核桃除了真菌引進(jìn)的真菌性葉枯病之外,其他方面的問(wèn)題也能導(dǎo)致病株表現(xiàn)出類似于細(xì)菌性葉枯病的相關(guān)癥狀,如棉根腐病引起的已死亡枯萎葉片仍長(zhǎng)時(shí)間滯留枝頭;樹(shù)體邊緣葉片因鹽毒害導(dǎo)致的細(xì)胞組織壞死;黑蚜蟲(chóng)或螨蟲(chóng)等蟲(chóng)害引起的薄殼山核桃葉片葉焦;N或K等元素不平衡引起的葉片枯斑。因此,針對(duì)病株選擇合適的檢測(cè)方法尤為重要。目前,薄殼山核桃葉枯病的檢測(cè)方法主要有2種,一種是基于血清學(xué)研究的酶聯(lián)免疫法(ELISA)檢測(cè),另一種是基于分子生物學(xué)的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)或?qū)崟r(shí)熒光定量PCR(qPCR)方法。

        3.1 ELISA檢測(cè)

        酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定是將可溶性的抗原或抗體結(jié)合到聚苯乙烯等固相載體上,利用抗原抗體特異性結(jié)合進(jìn)行免疫反應(yīng)的定性和定量檢測(cè)方法。薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病的ELISA檢測(cè)方法主要是雙抗體夾心法,即先加入已知抗體包被于載體表面,之后加入檢測(cè)樣品提取液與抗體結(jié)合,再加入加酶標(biāo)抗體與抗原結(jié)合,最終加酶作用的底物會(huì)產(chǎn)生顯色反應(yīng)。通過(guò)底物的顏色反應(yīng)來(lái)判定有無(wú)相應(yīng)的免疫反應(yīng),顏色反應(yīng)的深淺與標(biāo)本中相應(yīng)抗體或抗原的量成正比。根據(jù)美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)植物病理與微生物學(xué)院Hilton博士針對(duì)木質(zhì)部難養(yǎng)菌的改進(jìn)檢測(cè)方法試驗(yàn),樹(shù)液、葉片組織、葉柄基部等不同植物材料粗提液的ELISA檢測(cè)結(jié)果基本一致,其中以薄殼山核桃樹(shù)液作為檢測(cè)材料的效果最佳[16]。

        3.2 PCR/qPCR檢測(cè)

        木質(zhì)部難養(yǎng)菌一般很難從寄主植株中分離,尤其是對(duì)于沒(méi)有任何癥狀表現(xiàn)的寄主植株的檢測(cè)鑒定就更加困難[17-18],而當(dāng)寄主植物或昆蟲(chóng)介體木質(zhì)部難養(yǎng)菌攜帶量很低時(shí),傳統(tǒng)分離法或是酶聯(lián)免疫吸附法都不能有效檢測(cè)病原菌。因此,采用PCR/qPCR等分子檢測(cè)手段十分重要[19]。PCR是檢測(cè)、診斷和鑒定植物病原細(xì)菌最有效的手段之一[20],而qPCR (real-time PCR)是靈敏度及可靠性高的PCR 技術(shù),較傳統(tǒng)PCR更為快速,能定量檢測(cè)樣品中的病原菌。隨著木質(zhì)部難養(yǎng)菌重要菌株測(cè)序的完成,基于其基因組信息設(shè)計(jì)的PCR檢測(cè)方法也相繼被報(bào)道[21-25]。此外,還有一些基于種水平上的PCR或?qū)崟r(shí)熒光定量PCR檢測(cè)方法也已有相關(guān)報(bào)道[26-30]。根據(jù)Hilton博士針對(duì)木質(zhì)部難養(yǎng)菌的改進(jìn)檢測(cè)方法試驗(yàn),薄殼山核桃樹(shù)液粗提液和全DNA提取液的PCR/qPCR檢測(cè)效果較好,并且其改良的qPCR技術(shù)檢測(cè)效率可達(dá)到94%[16]。

        3.3 檢測(cè)研究進(jìn)展

        目前,美國(guó)薄殼山核桃葉枯病檢測(cè)方面的研究主要集中于各個(gè)州薄殼山核桃果園的地方性檢測(cè)[12]。筆者在美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)訪學(xué)期間,針對(duì)已感染的薄殼山核桃果子與新生幼苗內(nèi)的木質(zhì)部難養(yǎng)菌進(jìn)行數(shù)個(gè)檢測(cè)基礎(chǔ)試驗(yàn)。針對(duì)薄殼山核桃品種艾略特(Elliott),分別對(duì)其的根、莖和小葉進(jìn)行木質(zhì)部難養(yǎng)菌gDNA的ELISA檢測(cè),結(jié)果表明根和小葉樣品中含有大約相等濃度的木質(zhì)部難養(yǎng)菌gDNA,而莖部樣品中g(shù)DNA濃度最高。關(guān)于薄殼山核桃Cape Fear果仁各個(gè)部位解剖結(jié)構(gòu)(胚部、韌皮部、維管膜和外膜)的木質(zhì)部難養(yǎng)菌濃度qPCR檢測(cè)試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)果仁外膜的木質(zhì)部難養(yǎng)菌濃度最高。此外,關(guān)于薄殼山核桃果實(shí)密度與木質(zhì)部難養(yǎng)菌濃度的關(guān)系研究中,細(xì)菌濃度隨著堅(jiān)果密度的增加而增加,而實(shí)際薄殼山核桃卡多(Caddo)果園中有葉枯病癥狀果樹(shù)堅(jiān)果的密度明顯低于無(wú)癥狀果樹(shù),該試驗(yàn)結(jié)果的矛盾之處有待進(jìn)一步深入試驗(yàn)論證。

        4 防治方法

        目前,薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病還沒(méi)有特別有效的控制方法[31]。針對(duì)薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病,可以從增強(qiáng)樹(shù)勢(shì)和控制病原2個(gè)方面考慮防治方法。

        4.1 增強(qiáng)樹(shù)勢(shì)

        通過(guò)采用嚴(yán)格管控的方式,如間伐、疏果和水肥管理等方面的調(diào)控,為果園內(nèi)的果樹(shù)增強(qiáng)樹(shù)勢(shì),緩解逆境脅迫壓力,可以減少細(xì)菌性葉枯病所造成的損害。通常來(lái)說(shuō),越健康的薄殼山核桃樹(shù)就越能夠有效地應(yīng)對(duì)各類真菌或細(xì)菌的侵害。

        4.2 控制病原

        此外,果園內(nèi)的薄殼山核桃應(yīng)該盡量避免接觸其他受污染的植物材料,這也是防治木質(zhì)部難養(yǎng)菌感染的一種方式。新建果園除了要考慮立地條件外,也要對(duì)種植薄殼山核桃嫁接苗的砧木與接穗進(jìn)行篩選處理。研究表明,薄殼山核桃接穗通過(guò)熱水處理的方式,97%可以防止木質(zhì)部難養(yǎng)菌的傳播[32-33]。

        5 研究展望

        針對(duì)薄殼山核桃葉枯病的研究方向,今后主要可以從檢測(cè)技術(shù)、防治措施及抗病品種培育等方面進(jìn)行深入研究。

        5.1 檢測(cè)方式改良

        因?yàn)楸ど胶颂覠o(wú)癥狀的果樹(shù)也可能是木質(zhì)部難養(yǎng)菌的宿主,往往單一形式的檢測(cè)方式并不能得到有效的檢測(cè)結(jié)果,所以采用多個(gè)檢測(cè)方法共同驗(yàn)證是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。此外,檢測(cè)過(guò)程中也出現(xiàn)了檢測(cè)結(jié)果假陰性或假陽(yáng)性的問(wèn)題,這也將依賴于今后技術(shù)革新,以期改良出精準(zhǔn)、有效的檢測(cè)技術(shù)。影響薄殼山核桃病害的原因很多,包括各種蟲(chóng)害、真菌、細(xì)菌及其他非生物脅迫。只有通過(guò)真正有效地進(jìn)行檢測(cè),才能更好地采取最佳方式處理應(yīng)對(duì)。

        5.2 攜菌昆蟲(chóng)防治

        針對(duì)薄殼山核桃細(xì)菌性葉枯病,昆蟲(chóng)攜帶的防治研究將是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域[12]。研究發(fā)現(xiàn),以美國(guó)東南部常見(jiàn)的沫蟬為例,通過(guò)其取食薄殼山核桃而導(dǎo)致的木質(zhì)部難養(yǎng)菌傳播率達(dá)到11.4%[34]。目前,我國(guó)國(guó)內(nèi)薄殼山核桃果園因?yàn)樯锩{迫導(dǎo)致的病害已經(jīng)達(dá)到需要引起重視的地步。國(guó)內(nèi)引起薄殼山核桃蟲(chóng)害的昆蟲(chóng)除了天牛之外,還有葉甲、木蠹蛾、金龜子、刺蛾、葉峰、潛葉蠅、警根瘤蚜、桃蛀螟、椿象、緣蝽等。因此,針對(duì)木質(zhì)部難養(yǎng)菌攜帶昆蟲(chóng)觀測(cè),并且采取有效的物理、化學(xué)及生物防治手段是防控薄殼山核桃細(xì)菌性病害的重點(diǎn)方向。

        5.3 抗病品種篩選

        木質(zhì)部難養(yǎng)菌薄殼山核桃抗病品種的篩選應(yīng)該分別從砧木和接穗2個(gè)角度展開(kāi)。關(guān)于薄殼山核桃接穗優(yōu)良品種的傳統(tǒng)篩選,需要考慮的包括:果實(shí)持續(xù)高品質(zhì)、早收、高產(chǎn)、大小年異化程度低、晚萌芽、抗瘡痂病和蚜蟲(chóng)抗性等多個(gè)特點(diǎn)。針對(duì)于薄殼山核桃葉枯病,新建果園嫁接苗種植應(yīng)避免選用Cape Fear等較易感染的品種,育苗嫁接或老園嫁接改造時(shí)可對(duì)接穗進(jìn)行特殊處理。此外,薄殼山核桃的嫁接樹(shù)生長(zhǎng)受自身復(fù)雜的遺傳系統(tǒng)的影響,而其遺傳系統(tǒng)由砧木和接穗共同決定[35]。研究發(fā)現(xiàn),北美的葡萄品種相較歐洲的葡萄品種的根部具有極強(qiáng)的葡萄根瘤蚜抗性而以北美葡萄作為砧木嫁接的歐洲葡萄品種不再易感葡萄根瘤蚜[36]。因此,關(guān)于抗病砧木的篩選也是未來(lái)重要的研究方向。

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