曹 敏,胡開(kāi)治,劉燕琴,楊小玉,韓蓉蓉,余 米
(1. 重慶市藥物種植研究所,重慶 408435;2. 特色生物資源研究與利用川渝共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 408435)
茅蒼術(shù)(Atractylodes lancea(Thunb.) DC.)為菊科蒼術(shù)屬多年生草本植物,以干燥根莖入藥,是商品蒼術(shù)之上品,其道地產(chǎn)區(qū)為江蘇茅山[1]。由于野生資源嚴(yán)重匱乏,江蘇、重慶、浙江、湖北、四川等地對(duì)茅山蒼術(shù)進(jìn)行了大量的引種栽培[2]。近年來(lái),太極集團(tuán)為保證藿香正氣液原料用藥安全、穩(wěn)定及產(chǎn)業(yè)扶貧需要,先后在重慶市南川區(qū)、酉陽(yáng)縣、秀山縣等地建設(shè)了茅蒼術(shù)栽培基地。隨著栽培年限增加,病害問(wèn)題日益突出,連作障礙明顯。其中,根腐病是目前重慶地區(qū)茅蒼術(shù)栽培危害最嚴(yán)重的病害之一,主要病原菌有尖孢鐮刀菌Fusarium oxysporum和茄病鐮刀菌F.solani[3]。茅蒼術(shù)根腐病一旦發(fā)生會(huì)造成大面積減產(chǎn),甚至絕收,嚴(yán)重影響藥材產(chǎn)量和種植戶的積極性[4]。因此,亟須找到行之有效的防治方法解決藥農(nóng)困境,而微生物防治因其具有高效低耗、對(duì)環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。
叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一類(lèi)廣泛分布于各類(lèi)型土壤的特殊微生物,能與地球上90%以上的維管植物根系形成“叢枝菌根”(arbuscular mycorrhizae, AM),參與植物的生理代謝,促進(jìn)植物生長(zhǎng)[5-7]。研究表明AMF 在提高植物抗病性方面也表現(xiàn)出了積極作用,已發(fā)現(xiàn)的能有效控制植物土傳病害的AMF 超過(guò)30 種[8]。目前,AMF 在中藥材栽培上的應(yīng)用研究還處于探索階段,且大多集中在對(duì)其產(chǎn)量和質(zhì)量的影響方面。郭蘭萍等[9]研究發(fā)現(xiàn)摩西球囊霉(Glomus mosseae)促進(jìn)蒼術(shù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng);梁雪飛等[10]還報(bào)道幼套球囊霉(G.etunicatum)和扭形球囊霉(G.tortuosum)能提高茅蒼術(shù)組培苗的成活率,促進(jìn)其生長(zhǎng)和主要揮發(fā)油成分的積累。目前,關(guān)于AMF 與茅蒼術(shù)栽培中病害的關(guān)系還鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以摩西球囊霉G.mosseae、根內(nèi)球囊霉G.intraradices和幼套球囊霉G.etunicatum為接種菌劑,研究不同的AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗生長(zhǎng)發(fā)育影響的同時(shí),探索AMF 對(duì)茅蒼術(shù)根腐病發(fā)生和抗病相關(guān)酶活性的影響,為中藥材茅蒼術(shù)栽培生產(chǎn)中合理利用AMF 防治根腐病以及深入研究AMF 的生防機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。
供試茅蒼術(shù)為購(gòu)自湖北英山茅蒼術(shù)種植戶的當(dāng)年采集的茅蒼術(shù)種子。
供試菌劑分別為摩西球囊霉(G.mosseae)、根內(nèi)球囊霉(G.intraradices)和幼套球囊霉(G.etunicatum)的全培養(yǎng)物,均購(gòu)自北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所“叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫(kù)”,菌種信息見(jiàn)表1。
表1 3 種供試的AMF 菌株Table 1 Three AMF strains used in the investigation
供試病原菌為分離自茅蒼術(shù)根腐病病株的主要病原菌之一的茄病鐮刀菌(Fusarium solani),GenBank 登錄號(hào)為MW227308。
培養(yǎng)基質(zhì)為滅菌后的土沙混合物,土沙比為1∶2。沙為過(guò)2 mm 篩的粗沙,土為田園土(全氮0.574 g·kg-1,全磷0.172 g·kg-1,全鉀16.1 g·kg-1,有機(jī)質(zhì)7.75 g·kg-1,pH 為6.15),土經(jīng)曬干錘細(xì)過(guò)2 mm 篩,與沙混勻后滅菌,備用。
1.2.1 茅蒼術(shù)種子無(wú)菌實(shí)生苗培育 2019 年4 月,在重慶市南川區(qū)三泉鎮(zhèn)沙子壩選擇半陰半陽(yáng)荒坡砂壤土地進(jìn)行播種。提前將土壤基質(zhì)用1%甲醛溶液噴灑均勻,覆膜熏蒸10 d,于晴天揭開(kāi)薄膜,土壤基質(zhì)晾曬至無(wú)甲醛味為止。播種前均勻撒施適量磷肥作為底肥,將土壤翻勻,欠細(xì),順坡開(kāi)廂,廂面80 cm。茅蒼術(shù)種子播種前用0.1%的升汞浸泡10 min,再用無(wú)菌水清洗5 次,將滅過(guò)菌的種子撒播于彼此隔離的滅菌土壤基質(zhì)中,出苗后適時(shí)除草,常規(guī)管理,備用。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2020 年4 月在重慶市藥物種植研究所溫室進(jìn)行盆栽試驗(yàn),選取長(zhǎng)勢(shì)良好且一致的1年生茅蒼術(shù)苗進(jìn)行,茅蒼術(shù)苗剪去多余的根系,僅保留2 cm 長(zhǎng),并用多菌靈800 倍液浸泡30 min,栽植到長(zhǎng)方形花盆(長(zhǎng)60 cm×寬34 cm×高18.5 cm)中,基質(zhì)和其他材料器具提前經(jīng)滅菌處理,備用。共設(shè)4 個(gè)組:以不接種任何AMF 的處理組作為對(duì)照記為CK;處理組分別接種3 種AMF(包括G.mosseae、G.intraradices和G.etunicatum),分別記為Gm、Gi和Ge,每個(gè)組5 個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)20 株茅蒼術(shù)苗。移栽時(shí)先在花盆中裝略低于2/3 高度的土沙基質(zhì),均勻?qū)?0 g 菌劑撒于表面,再將茅蒼術(shù)苗栽在菌劑表面,繼續(xù)加入適量的土沙基質(zhì),覆蓋住茅蒼術(shù)苗的根系,澆足定根水。各處理組管理一致,每盆每個(gè)月澆1 次微量水溶肥(含N、P、K 和微量元素)1 000 倍液500 mL,天氣較干熱時(shí)需隨時(shí)觀察基質(zhì)表面,若太干要注意及時(shí)澆水,避免茅蒼術(shù)苗缺水死亡。
8 個(gè)月后各組選取生長(zhǎng)良好的茅蒼術(shù)苗進(jìn)行病原菌接種,接種前記為P-,接種后記為P+,每個(gè)處理組3 個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)15 株茅蒼術(shù)苗。病原菌F.solani提前進(jìn)行液體培養(yǎng)備用,接種時(shí)稀釋為約1×107個(gè)·mL-1備用。接種時(shí)剪掉多余的根系,僅留5 cm 長(zhǎng),然后置于液體菌劑中靜置15 min,再回栽到圓形花盆(底徑13.5 cm×高18.5 cm×口徑20 cm)中,澆50 mL液體菌劑在根周?chē)?,最后覆土沙基質(zhì),澆適量定根水。
1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 接種病原菌前隨機(jī)取樣進(jìn)行各項(xiàng)基本生長(zhǎng)指標(biāo)檢測(cè),包括菌根侵染率、株高、葉片數(shù)、葉面積、根莖鮮重和干重等,分析AMF 對(duì)茅蒼術(shù)生長(zhǎng)的影響。葉面積使用CID Bio-Science 葉面積儀(CI-203)進(jìn)行掃描,菌根侵染率采用墨水醋染色法測(cè)定[11],菌根依賴性計(jì)算參照Menge 等[12]的方法。
菌根侵染率=(0×根段數(shù)+10×根段數(shù)+20×根段數(shù)+30×根段數(shù)+…+100×根段數(shù))/觀察總根段數(shù)×100%
菌根依賴性(MD)=菌根苗營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)量/對(duì)照茅蒼術(shù)苗生長(zhǎng)量×100%
各處理組于接種病原菌前和接種7 d 后,分別取根樣檢測(cè)幾丁質(zhì)酶(chitinase)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)和β-1, 3-葡聚糖酶(β-1, 3-glucanase)活性,3 種酶活性均使用酶檢測(cè)試劑盒(上海泛柯實(shí)業(yè)有限公司)進(jìn)行測(cè)定。1 個(gè)月后統(tǒng)計(jì)病死率、發(fā)病率和病情指數(shù)。
1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 采用Excel、Graphad Prism 7等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖。
茅蒼術(shù)苗接種病原菌前,接種Gm、Gi 和Ge的菌根侵染率分別為60.44%、52.33%和55.89%,對(duì)照組未檢測(cè)到AMF 侵染(表2)。3 種AMF 對(duì)茅蒼術(shù)根系的侵染能力不同,說(shuō)明AMF 與茅蒼術(shù)之間有一定的偏好性,具體侵染情況見(jiàn)圖1。
圖1 茅蒼術(shù)根系A(chǔ)MF 侵染情況Figure 1 The infection of AMF in roots of A. lancea (Thunb.) DC.
表2 叢枝菌根真菌對(duì)茅蒼術(shù)菌根侵染率Table 2 The colonization of AMF on A. lancea (Thunb.) DC.
由表3 可知,接種Gm 菌株的處理組株高、莖基粗、芽點(diǎn)個(gè)數(shù)、葉片數(shù)和最大根系長(zhǎng)均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),其葉面積略高于對(duì)照組,但差異不顯著(P<0.05)。接種Gi 菌株的處理組各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo)均顯著高于對(duì)照組(P<0.05);而Ge組的株高、莖基粗、芽點(diǎn)個(gè)數(shù)、葉面積、葉片數(shù)和最大根系長(zhǎng)與對(duì)照組相比,分別增加了37.85%、37.60%、114.29%、58.35%、73.79%和85.80%。說(shuō)明接種3 種AMF 總體上提高了茅蒼術(shù)苗的生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo),以Ge 促進(jìn)效果最為顯著,其次為Gi 和Gm。
表3 接種病原菌前AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗生長(zhǎng)的影響Table 3 Effects of AMF on the growth of A. lancea (Thunb.) DC. seedlings before infection with F. solani
如表4 所示,與對(duì)照相比,3 種AMF 處理組茅蒼術(shù)苗的地下部分鮮重和干重均顯著高于對(duì)照組,表明接種3 種AMF 均能提高茅蒼術(shù)苗地下部分質(zhì)量,其中Gm 效果最佳,其次為Ge 和Gi。茅蒼術(shù)苗地下部分鮮重和干重對(duì)Gm 的菌根依賴性分別達(dá)260.34%和285.45%,這與菌根侵染率的規(guī)律一致,表明AMF 很可能是通過(guò)菌根結(jié)構(gòu)促進(jìn)了茅蒼術(shù)的生長(zhǎng)。結(jié)果表明Gm 對(duì)茅蒼術(shù)苗地下部分物質(zhì)積累促進(jìn)作用更大。
表4 3 種AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗生長(zhǎng)質(zhì)量指標(biāo)的影響Table 4 Effects of three AMF on growth indexes of A. lancea (Thunb.) DC. seedlings
由表5可知,接種F.solani1個(gè)月后未接種AMF的CK 組根腐病發(fā)病率最高,達(dá)66.67%;而接種Gm、Gi 和Ge 的處理組均在一定程度上降低了茅蒼術(shù)根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)。其中Gm 和Ge 組根腐病的發(fā)病率降低了35.01%,且與CK 間差異顯著(P<0.05);Gi 組發(fā)病率降低了15.00%,但未達(dá)顯著性差異(P<0.05)。表5 還顯示了CK 組的病情指數(shù)最高,為52.96;接種Gm、Gi 和Ge 均降低了茅蒼術(shù)根腐病的病情指數(shù),且均達(dá)到顯著性差異(P<0.05),病情指數(shù)由低到高依次為Ge<Gm<Gi。3 種AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗根腐病均有一定的防治效果,其中G.mosseae和G.etunicatum防治效果較好,防效均大于50%,其次為G.intraradices。
表5 接種病原菌后茅蒼術(shù)根腐病的發(fā)病情況及AMF 防治效果Table 5 Incidence of root rot of A. lancea (Thunb.) DC. after inoculation with pathogens and the control effect of AMF
各試驗(yàn)組茅蒼術(shù)接種病原菌前后根系抗病相關(guān)酶活性的變化見(jiàn)圖2、圖3 和圖4。由圖2 可知,接種病原菌前Gm 和Ge 組的茅蒼術(shù)根系PAL 酶活性略高于對(duì)照組,Gi 組的茅蒼術(shù)根系PAL 酶活性略低于對(duì)照組,但各處理組間PAL 酶活性差異不顯著(P<0.05)。接種病原菌7 d 后對(duì)照組PAL 酶活性降低,而Gm、Gi 和Ge 處理組接種病原菌后PAL酶活性均升高,PAL 酶活性Gm>Ge>Gi>CK,其中Gm 組PAL 酶活性顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。說(shuō)明接種AMF能提高茅蒼術(shù)苗根系的PAL酶活性。
圖2 接種AMF 和病原菌對(duì)茅蒼術(shù)根系PAL 酶活性的影響Figure 2 Effects of AMF and pathogenic on PAL enzyme activity in roots of A. lancea (Thunb.) DC.
圖3 接種AMF 和病原菌對(duì)茅蒼術(shù)根系β-1,3-葡聚糖酶活性的影響Figure 3 Effects of AMF and pathogenic on β-1,3-glucanase enzyme activity in roots of A. lancea (Thunb.) DC.
圖4 接種AMF 和病原菌對(duì)茅蒼術(shù)根系幾丁質(zhì)酶活性的影響Figure 4 Effects of AMF and pathogenic on chitinase enzyme activity in roots of A. lancea (Thunb.) DC.
圖3 表明,接種病原菌前Gm、Gi 和Ge 組的茅蒼術(shù)根系β-1,3-葡聚糖酶活性均略高于對(duì)照組,但各處理組間β-1,3-葡聚糖酶活性差異不顯著(P<0.05)。接種病原菌7 d 后對(duì)照組β-1,3-葡聚糖酶活性低于接種前,而Gm、Gi 和Ge 處理組接種病原菌后PAL 酶活性均高于接種病原菌前,且顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。說(shuō)明接種AMF 能提高茅蒼術(shù)苗根系的β-1,3-葡聚糖酶活性。
由圖4 可知,接種病原菌前Gm、Gi 和Ge 組的茅蒼術(shù)根系幾丁質(zhì)酶活性均略高于對(duì)照組,但各處理組間幾丁質(zhì)酶活性差異不顯著。接種病原菌7 d后對(duì)照組幾丁質(zhì)酶活性降低,而Gm、Gi 和Ge 處理組接種病原菌后PAL 酶活性均較接病原菌前升高,且顯著高于對(duì)照組。說(shuō)明接種AMF 能提高茅蒼術(shù)苗根系的幾丁質(zhì)酶活性。
前期研究發(fā)現(xiàn)茅蒼術(shù)根際土壤中AMF 資源豐富,其中Glomus為優(yōu)勢(shì)屬[13]。本研究從Glomus屬中選擇在其他植物上已表現(xiàn)出良好共生效應(yīng)的3 種AMF,研究其與茅蒼術(shù)間的共生情況。結(jié)果表明G.mosseae、G.intraradices和G.etunicatum對(duì)茅蒼術(shù)均表現(xiàn)出了較高的侵染水平。楊光等報(bào)道不同的AMF 對(duì)同一藥用植物間侵染差異較大[14],與之研究結(jié)論一致,本試驗(yàn)結(jié)果也表明不同的AMF 與茅蒼術(shù)根系間的共生存在差異,3 種AMF 對(duì)茅蒼術(shù)根系的侵染率為G.mosseae>G.etunicatum>G.intraradices。因此,如若僅考慮共生親和性,G.mosseae更適合作為茅蒼術(shù)栽培的接種菌劑,這與郭蘭萍[9]、梁雪飛[10]等的研究結(jié)論一致,說(shuō)明G.mosseae與茅蒼術(shù)根系共生的偏好性是普遍存在的。但在實(shí)際生產(chǎn)中,不同的環(huán)境下AMF 與茅蒼術(shù)的共生效應(yīng)是否一致,有待進(jìn)一步研究。
大量研究已證實(shí)AMF 能促進(jìn)其宿主植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)[9-10,15-16],前人初步研究[10]已發(fā)現(xiàn)茅蒼術(shù)對(duì)AMF 有很高的菌根依賴性,接種摩西球囊霉(G.mosseae)可以促進(jìn)蒼術(shù)根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收,提高蒼術(shù)根際土壤微生物的多樣性及代謝活性,促進(jìn)蒼術(shù)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和蒼術(shù)苗揮發(fā)油的積累。本研究通過(guò)給1 年生茅蒼術(shù)種子苗分別接種G.mosseae、G.intraradices和G.etunicatum3 種AMF,研究其對(duì)茅蒼術(shù)苗生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)3 種AMF 均能很好地侵染其根系,形成菌根。3 種AMF 均能顯著提高茅蒼術(shù)苗的株高、莖基粗、芽點(diǎn)個(gè)數(shù)、葉面積、葉片數(shù)和最大根系長(zhǎng),促進(jìn)其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),增加地下部分的鮮重和干重。究其原因,可能是由于AMF 能以其龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將植物與土壤有機(jī)地聯(lián)合起來(lái),促進(jìn)植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和水分的吸收,增強(qiáng)植物體內(nèi)的代謝活動(dòng),這與前人研究結(jié)論一致。本試驗(yàn)結(jié)果表明,AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗有較好的促生效應(yīng),其中G.mosseae和G.etunicatum的對(duì)茅蒼術(shù)的促生效果優(yōu)于G.intraradices。
AMF 是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵微生物之一,已有研究表明AMF 在抗植物土傳病害方面具有很大的潛力,前提是病原物入侵之前AMF 與植物間已形成菌根并發(fā)育良好[17]。郭開(kāi)發(fā)等[18]報(bào)道摩西球囊霉可有效地防治番茄根腐病,具有較好的應(yīng)用前景。本試驗(yàn)以分別接種G.mosseae、G.intraradices、G.etunicatum的菌根苗和不接種AMF 的茅蒼術(shù)為材料,研究AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗根腐病的抗病潛力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)3 種AMF 對(duì)茅蒼術(shù)苗根腐病均有一定的防治效果。與對(duì)照組相比,G.mosseae和G.etunicatum均能顯著降低茅蒼術(shù)苗根腐病的發(fā)病率、病死率和病情指數(shù),防效分別為53.15%和62.91%;而接種G.intraradices防治效果一般,防效為34.97%。
前人的研究[17]表明AMF 能激活植物的防御反應(yīng)來(lái)抵抗病原物的進(jìn)攻,包括苯丙氨酸解氨酶(PAL)、β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶等。這3 種酶均是植物抗病相關(guān)的防御酶,其中苯丙氨酸解氨酶(PAL)是植物次生代謝,特別是本丙烷途徑的關(guān)鍵酶和限速酶;而幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶能通過(guò)水解真菌細(xì)胞壁,抑制病原物的生長(zhǎng)。楊立研究發(fā)現(xiàn),雙接種AMF 和病原菌能顯著提高丹參PAL、幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活性[19]。王倡憲等[20]也發(fā)現(xiàn)G.versiforme和G.intraradices能誘導(dǎo)幾丁質(zhì)酶、β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶活性,從而減輕黃瓜苗期由Fusarium oxysporum引起的枯萎病。與之結(jié)論一致,本試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)受到病原菌侵染時(shí),接種G.mosseae、G.intraradices和G.etunicatum的茅蒼術(shù)菌根苗PAL、β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶活性顯著提高。接種病原菌7 d 時(shí),茅蒼術(shù)菌根苗的3種酶活性均高于接種前,而對(duì)照組的非菌根苗的酶活性低于接種病原菌前。這可能是由于非菌根苗受到F.solani侵入后不斷生長(zhǎng),逐步侵染到維管柱中,破壞了茅蒼術(shù)根系的防御體系,而導(dǎo)致的防御酶活性下降;而菌根苗受到F.solani入侵時(shí),AMF 激發(fā)其根系的防御反應(yīng),如幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的增強(qiáng),將病原菌菌絲逐步瓦解在表皮和皮層組織,從而減輕根腐病的發(fā)生和發(fā)病程度[17]。
G.mosseae、G.intraradices和G.etunicatum對(duì)茅蒼術(shù)苗根腐病均有一定的防效。苗期接種AMF可顯著促進(jìn)茅蒼術(shù)苗的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和地下部分的物質(zhì)積累,與非菌根化苗相比,接種F.solani7 d 后,菌根化苗根系PAL、幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活性顯著高于對(duì)照,說(shuō)明AMF 在一定程度上提高了茅蒼術(shù)幼苗的抗病性,即AMF 對(duì)茅蒼術(shù)根腐病有一定的抗病潛力。但不同的AMF 防治效果不同,以G.etunicatum和G.mosseae對(duì)茅蒼術(shù)苗根腐病的抗病效果較好,而G.intraradices防治效果不顯著。因此,今后可將G.etunicatum和G.mosseae可作為茅蒼術(shù)根腐病防治的備選生物菌劑,進(jìn)行更深入的研究與應(yīng)用。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2022年3期