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        順-冷杉醇誘導煙草抗青枯病的效果及作用機制研究

        2023-06-11 07:16:17孫雨晴桂祖卿孫菲菲韓曉宗浩杜詠梅
        中國煙草科學 2023年2期
        關(guān)鍵詞:青枯病煙草

        孫雨晴 桂祖卿 孫菲菲 韓曉 宗浩 杜詠梅

        摘? 要:為探究順-冷杉醇誘導煙草抗青枯病的適宜處理條件和作用機制,采用盆栽接種方法,研究了順-冷杉醇灌根施用的適宜濃度、時間間隔和次數(shù),測定了順-冷杉醇處理后煙草根部主要防御酶活性、植保素和植物激素含量的變化,利用高通量測序技術(shù)測定了順-冷杉醇對煙草根系轉(zhuǎn)錄水平的影響。結(jié)果表明,順-冷杉醇施用濃度60~80 mg/L對煙草青枯病的防效為54.50%~57.10%,與陽性對照中生菌素相當,其適宜施用時間間隔為3~6 d,連續(xù)施用2~3次;順-冷杉醇處理后1~6 d煙草根部過氧化氫酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性顯著提高,1~10 d過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性顯著提高,處理后3~6 d多酚類物質(zhì)和木質(zhì)素含量顯著增加,1~3 d茉莉酸(JA)和水楊酸(SA)含量顯著增加,引起煙草根部抗性基因NtSIPK、NtMEK2、NtMAPK、NtPAL和NtC4H上調(diào)表達,提高煙株對青枯病的抗性。由此可知,順-冷杉醇可作為誘抗劑有效防控煙草青枯病的發(fā)生。

        關(guān)鍵詞:順-冷杉醇;煙草;青枯病;誘導抗性

        中圖分類號:S435.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1007-5119(2023)02-0066-08

        Abstract: In order to explore the appropriate treatment conditions and the mechanism of cis-abienol to induce tobacco against bacterial wilt, the suitable root application concentration, time interval and frequency were investigated by pot inoculation, combined with determination of the changes of major defense enzyme activities, phytoalexin and phytohormone contents in tobacco roots after cis-abienol treatment. Additionally, the effect of cis-abienol on the transcript level of tobacco roots was evaluated using high-throughput sequencing technology. The results showed that the control efficiency of cis-abisol at 60-80 mg/L against tobacco bacterial wilt was 54.50%-57.10%, which was comparable to that of bacteriocin in positive control. The suitable application interval was 3-6 days and 2-3 times. The activities of catalase (CAT), polyphenol oxidase (PPO) and phenylalanine aminolyase (PAL) were significantly increased at 1-6 d after cis-abienol treatment, and the activities of peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) were significantly increased at 1-10 d, while the contents of polyphenols and lignin were significantly increased at 3-6 d after cis-abienol treatment. The contents of jasmonic acid (JA) and salicylic acid (SA) were significantly increased at 1-3 d, which cause the up-regulated expression of NtSIPK, NtMEK2, NtMAPK, NtPAL and NtC4H, thereby improving the resistance of tobacco plants against bacterial wilt. Therefore, cis-abienol could be used as bacterial wilt inducers to effectively control the occurrence of tobacco bacterial wilt.

        Keywords: cis-Abienol; tabacco; bacterial wilt; induced resistance

        煙草青枯病是由青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)侵染引起的一種細菌性土傳病害,在我國多個煙區(qū)均有發(fā)生,嚴重影響煙葉的產(chǎn)量與品質(zhì)。目前,尚無有效抗青枯病的煙草品種[1-2],化學藥劑的過度使用則給環(huán)境造成污染[3],而微生物本身的多樣性和不同的適應能力,使生物防治效果難以把控[4]。

        誘導抗病技術(shù)具有安全性、系統(tǒng)廣譜性和持效性,為控制作物病害提供了新思路、新途徑[5]。誘抗劑可通過刺激植物,增強其抗氧化代謝,引起次生代謝產(chǎn)物積累來提升其抗病能力。余峰等[6]發(fā)現(xiàn)橙皮素對煙草青枯病的防效達51.74%,可顯著提高煙草葉片過氧化物酶(POD)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性以及煙株次生代謝產(chǎn)物中酚類化合物含量。趙世元等[7]發(fā)現(xiàn)黃腐酸能誘導煙草超氧化物歧化酶(SOD)和多酚氧化酶(PPO)活性提高,并引起水楊酸和乙烯信號傳導途徑相關(guān)基因過表達,提升煙草對青枯病的抗性。

        順-冷杉醇(cis-Abienol)是煙草表面腺毛分泌的含量最豐富的賴百當二萜,主要存在于香料煙、曬煙、雪茄煙中[8]。Seo等[9]將順-冷杉醇施用于煙草、番茄和擬南芥根部,可抑制其青枯病的發(fā)生。但順-冷杉醇誘導煙草對青枯病抗性的作用機制及其適宜的施用方式還需深入探討。本研究擬通過盆栽接種試驗,在明確順-冷杉醇誘導煙草青枯病抗性的適宜施用濃度、時間間隔及施用次數(shù)條件下,進一步研究順-冷杉醇對煙草防御酶活性、多酚類物質(zhì)和木質(zhì)素含量以及防御相關(guān)基因表達的影響,初步探究順-冷杉醇誘導煙草青枯病抗性的機制,為順-冷杉醇作為青枯病誘抗劑在煙草生產(chǎn)中的應用提供研究基礎(chǔ)。

        1? 材料與方法

        1.1? 供試材料

        1.1.1? 供試煙草材料? 供試烤煙品種為紅花大金元,由國家煙草種質(zhì)資源中期庫(青島)提供。采用常規(guī)育苗方式進行育苗和假植,待生長至3片真葉時,移栽入裝滿營養(yǎng)土的花盆(直徑120 mm×高165 mm)中,放置于自然光照的溫室大棚中生長。

        1.1.2? 供試青枯菌? 青枯雷爾氏菌懸液(Ralstonia solanacearum,–80 ℃冰箱保存)由中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所遺傳育種中心提供。取100 μL青枯菌懸液于NA培養(yǎng)基中,置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)36 h。挑取NA培養(yǎng)基中青枯菌單菌落于NB培養(yǎng)基中,置于搖床28 ℃,200 r/min培養(yǎng)至OD600=0.1(約為1×108 CFU/mL),待用。

        1.1.3? 供試試劑? 順-冷杉醇由本實驗室分離純化,高效液相色譜測定純度>95%;中生菌素購于福建凱立生物制品有限公司;營養(yǎng)瓊脂(NA)、營養(yǎng)肉湯(NB)培養(yǎng)基、霍格蘭營養(yǎng)液購于北京索萊寶科技有限公司;POD、CAT、PPO、SOD、PAL酶活測定試劑盒購于上海生工生物工程股份有限公司;SA、JA含量檢測試劑盒購于上海艾比瑪特醫(yī)藥科技有限公司;cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自TaKaRa公司。

        1.2? 試驗方法

        1.2.1? 順-冷杉醇施用濃度試驗? 順-冷杉醇設置20、40、60、80 mg/L等4個濃度,以60 mg/L中生菌素(Zhongshengmycin)為陽性對照,清水為陰性對照,共6個處理,每處理4次重復,每重復12株煙苗,隨機區(qū)組排列。待煙草長至六葉一心期,用清水、中生菌素和不同濃度順-冷杉醇采用灌根的方式處理煙株,每株均為20 mL。施藥后24 h將活化好的青枯菌接種液(1.1.2)接種于煙苗根部,每株10 mL,接種完成后,將煙苗置于28 ℃、光照14 h/d、相對濕度70%的人工氣候室中生長,待清水對照的病情指數(shù)不再發(fā)生變化時,調(diào)查所有處理的煙株發(fā)病情況(按照GB/T 23222—2008)[10],并計算病情指數(shù)和相對防效。

        病情指數(shù)=[∑(各病級株數(shù)×病級數(shù))/(最高病級×總株數(shù))]×100

        相對防效(%)=(對照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/對照病情指數(shù)×100

        1.2.2? 順-冷杉醇誘導煙草抗性最佳時間試驗? 用60 mg/L的順-冷杉醇溶液灌根處理煙株,每株20 mL。分別于施藥后1、3、6、10 d接種青枯病菌,每個接菌時間處理均設置相應的清水對照,共8個處理。接菌處理方式、溫室環(huán)境以及病情調(diào)查同1.2.1。

        1.2.3? 順-冷杉醇適宜施用次數(shù)試驗? 順-冷杉醇施用濃度為60 mg/L,分別設置1、2、3次施藥處理,每次施藥間隔3 d,每次每株20 mL。以清水為陰性對照,共4個處理。接菌處理方式、溫室環(huán)境以及病情調(diào)查同1.2.1。

        1.2.4? 順-冷杉醇對煙草防御酶活性及防御活性物質(zhì)的誘導效果試驗? 煙草移栽后長至六葉一心時,順-冷杉醇設置2個濃度分別為20、60 mg/L進行灌根處理,以清水為對照,共3個處理,每處理3次重復,每重復60株煙苗,隨機區(qū)組排列。施藥后第1、3、6、10、15天取各重復中長勢大致相同的4株煙苗,蒸餾水洗凈根部,放入液氮保存,用于防御酶活性和防御活性物質(zhì)測定。

        防御酶活性利用POD、CAT、PPO、SOD、PAL酶活測定盒測定;煙草多酚類化合物(蕓香苷、莨菪亭、咖啡酸)含量測定參照標準YC/T 202—2006

        《煙草及煙草制品 多酚類化合物綠原酸、莨菪亭和蕓香苷的測定》[11]進行;木質(zhì)素含量按照鐘天秀等[12]的方法測定;SA、JA含量利用Elisa檢測試劑盒測定。

        1.2.5? 煙草轉(zhuǎn)錄組測序及結(jié)果驗證? 采用王勇等[13]的方法進行煙草水培處理,待長至六葉一心時,以60 mg/L順-冷杉醇處理,清水為對照,每處理3次重復,每重復6株苗,隨機區(qū)組排列。施藥后24 h,每重復取1株煙苗根部,蒸餾水沖洗干凈,吸水紙吸干立即存入液氮保存。

        樣品RNA提取以及轉(zhuǎn)錄組學測序分析相關(guān)工作由北京諾禾致源公司承擔。

        使用諾禾致源公司返回的樣品RNA,進行cDNA反轉(zhuǎn)錄,篩選出轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果中顯著富集通路里與抗病性相關(guān)的5個差異基因,以actin為內(nèi)參基因,通過實時熒光定量(qRT-PCR)和2?ΔΔCt方法計算基因的相對表達[6]。

        1.3? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,采用Duncan新復極差法分析數(shù)據(jù)顯著性,p<0.05為顯著差異,并利用Origin2021畫圖。

        2? 結(jié)? 果

        2.1? 順-冷杉醇施用方式對煙草青枯病抗性的誘導效果

        2.1.1? 順-冷杉醇施用濃度對煙草青枯病抗性的影響? 如圖1所示,在20~80 mg/L濃度范圍內(nèi),隨著順-冷杉醇施用濃度的增加,煙株青枯病的病情指數(shù)呈顯著下降趨勢,對青枯病的防治效果呈上升趨勢。60和80 mg/L順-冷杉醇對煙草青枯病的防效達到54.50%~57.10%,略高于陽性對照中生菌素,但差異不顯著。因此,順-冷杉醇適宜施用濃度為60~80 mg/L。

        2.1.2? 順-冷杉醇對煙草青枯病誘導抗性最佳的時間? 施用順-冷杉醇活化煙株后,再設置不同時間接種青枯菌,結(jié)果表明(圖2),隨著青枯菌接種時間的推后,煙株青枯病的病情指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。在預先施入順-冷杉醇后3~6 d接種青枯菌的處理,發(fā)病程度最低、防治效果最好,防效達到53.65%~56.62%。因此,通過施用順-冷杉醇預防青

        枯病,獲得最佳誘導效果的時間為3~6 d。

        2.1.3? 順-冷杉醇施用次數(shù)對煙草青枯病抗性的影響? 如圖3所示,隨著順-冷杉醇施用次數(shù)的增加,煙株青枯病的病情指數(shù)呈下降趨勢,對青枯病的防治效果呈上升趨勢;誘導2次和3次產(chǎn)生的防效差異不顯著,分別為56.27%和60.52%,且顯著高于1次處理。因此,順-冷杉醇適宜施用次數(shù)為2~3次。

        2.2? 順-冷杉醇對煙草根部防御酶活性及防御活性物質(zhì)的影響

        2.2.1? 對防御酶活性的影響? 如圖4所示,順-冷杉醇處理后1 d煙草根部防御酶活性均顯著增加,呈現(xiàn)明顯的劑量-效應關(guān)系,60 mg/L順-冷杉醇處理的酶活增加倍數(shù)要高于20 mg/L處理。不同酶活性增加持續(xù)時間不同:煙草根部CAT、PPO和PAL活性在施藥后1~6 d顯著高于清水對照,60 mg/L順-冷杉醇處理后CAT酶活在第1天時最高,比對照高1.51倍;PPO活性在第3天時最高,比對照高1.60倍,PAL活性在第3~6天時維持較高活性,比對照高1.23~1.45倍。POD和SOD活性在施藥后1~10 d顯著高于清水對照,POD酶活性在15天時降至與對照一致;SOD活性在第3天時最高,比對照高1.40倍。

        2.2.2? 對多酚類化合物和木質(zhì)素含量的影響? 如圖5所示,與清水對照相比,煙草根部蕓香苷、咖啡酸、莨菪亭及木質(zhì)素含量在順-冷杉醇處理后的15 d內(nèi)均有所增加,且呈現(xiàn)明顯的劑量-效應關(guān)系。順-冷杉醇處理的煙草根部咖啡酸含量在1~3 d時顯著高于對照;蕓香苷含量在3~15 d顯著高于對照,在第3天時達到最高,比對照高1.56倍;莨菪亭含量在3~10 d時顯著高于對照,在第6天時達到最高,比對照高1.42倍;苯丙烷代謝產(chǎn)物木質(zhì)素的含量則呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢,在第3天時高于對照1.60倍,而后在3~15 d時均維持較高水平,顯著高于對照處理。由此可知,順-冷杉醇處理的煙株植保素含量在3~6 d內(nèi)保持較高水平,此時煙株對青枯病的抗性較高,且以60 mg/L的濃度處理效果更優(yōu)。

        2.2.3? 對植物激素含量的影響? 如圖6所示,60 mg/L順-冷杉醇處理的煙草根部茉莉酸(JA)、水楊酸(SA)含量高于20 mg/L的處理,且在1~6 d和1~3 d時分別顯著高于對照1.47~2.01倍和1.32~1.35倍,JA含量的增加倍數(shù)和持續(xù)時間均大于SA。

        2.3? 順-冷杉醇處理煙草的轉(zhuǎn)錄組學分析

        2.3.1? 差異表達基因統(tǒng)計與富集分析? 圖7A表明,在DESeq2 p<0.05和∣log2FoldChange∣>1 條件下,得到21650個差異表達基因(DEGs),其中8853個DEGs上調(diào),12797個DEGs下調(diào)。為了解這些DEGs參與的代謝途徑,將全部序列與KEGG數(shù)據(jù)庫進行對比發(fā)現(xiàn)(圖7B),顯著富集通路主要涉及類黃酮代謝、苯丙烷類化合物的合成、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號級聯(lián)反應、氨基酸代謝以及生物堿類物質(zhì)代謝等。

        2.3.2? 轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果驗證? 根據(jù)轉(zhuǎn)錄組中顯著富集通路的結(jié)果,篩選出與煙草抗病性相關(guān)的NtSIPK、NtMEK2、NtMAPK、NtPAL和NtC4H基因進行表達量差異驗證。如圖8所示,順-冷杉醇施用后1 d煙草根部與抗病防御相關(guān)的5個基因均上調(diào)表達。調(diào)控ROS代謝平衡相關(guān)基因NtSIPK,MAPK級聯(lián)反應相關(guān)的NtMEK2和NtMAPK,植物激素以及苯丙烷代謝途徑相關(guān)合成基因NtPAL和NtC4H的相對表達水平顯著上調(diào),與轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果一致,說明測序結(jié)果可信。

        3? 討? 論

        本研究發(fā)現(xiàn),順-冷杉醇60~80 mg/L濃度處理對煙草青枯病的防治效果為54.50%~57.10%,與陽性對照中生菌素相當。已有研究表明,誘導劑苯并噻二唑和2,6-二氯異煙酸誘導煙草青枯病抗性的最適濃度為200 mg/L[14],核黃素為400 mg/L[15],SA為500 mg/L[16],莨菪亭為125 mg/L[17],相比上述報道,順-冷杉醇的最適誘導濃度更低,誘導活性更高,具有較好的開發(fā)價值。

        本研究結(jié)果顯示,順-冷杉醇處理后引起煙草根中ROS合成相關(guān)基因NtSIPK上調(diào)表達[18-19],以及抗氧化相關(guān)酶CAT、POD和SOD活性的上升。ROS對植物抗病性起著重要作用,植株經(jīng)誘導后,可迅速積累ROS并引發(fā)早期信號傳遞,啟動抗病反應。研究發(fā)現(xiàn)黃腐酸和莨菪亭等誘抗劑[7,17],可引起煙草相關(guān)抗氧化酶活性提高,致使ROS含量上升并且作為信號物質(zhì)參與植物對病菌侵染的防御反應。推測順-冷杉醇處理可通過調(diào)節(jié)體內(nèi)ROS含量將誘導信號傳遞至細胞內(nèi)。

        MAPK級聯(lián)信號在植物誘導抗性中發(fā)揮重要作用,可以將由ROS含量變化引起的胞內(nèi)信號傳遞至細胞核,能夠磷酸化不同的效應蛋白以作用于轉(zhuǎn)錄因子從而調(diào)控基因的表達[20-21]。前人研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中AtMAPK對于誘導抗病性至關(guān)重要[22],本研究中順-冷杉醇誘導后的煙草根部MAPK級聯(lián)反應基因NtMAPK上調(diào)表達,由于NtMAPK和AtMAPK同源,因此推測MAPK級聯(lián)反應信號同樣引起細胞內(nèi)后續(xù)抗病基因表達,參與順-冷杉醇誘導的煙草抗青枯病防御。

        植物激素JA和SA參與植物抗病過程并誘導植物系統(tǒng)抗性的產(chǎn)生。JA參與多酚、木質(zhì)素等植株防御反應關(guān)鍵物質(zhì)的合成,SA可通過激活植物過敏反應抑制青枯病的發(fā)生[23-24],SA、JA的信號傳導途徑成員能夠相互影響,存在一定程度交流[25]。本研究中,順-冷杉醇誘導煙草根中JA含量的增加幅度遠大于SA,且持續(xù)增加時間長于SA。原因可能是順-冷杉醇誘導的煙草青枯病抗性模式主要依賴于JA介導的信號傳遞,SA的含量增加則是由于SA和JA信號途徑的相互影響,與Seo等[9]、Zhao等[26]結(jié)果類似。SA和JA信號的共同傳遞,不僅引發(fā)了煙株對病菌侵染的短期防御,還通過增強煙株生理代謝來提高對青枯病的長期抗性。

        NtPAL和NtC4H是苯丙烷代謝途徑關(guān)鍵酶基因,PAL和PPO在苯丙烷類化合物代謝途徑中起重要作用,參與酚類化合物和木質(zhì)素等植保素的合成[27]。本研究結(jié)果表明,順-冷杉醇可誘導煙草根部NtPAL和NtC4H上調(diào)表達,促進PAL、PPO活性上升,導致苯丙烷代謝的產(chǎn)物蕓香苷、咖啡酸、莨菪亭和木質(zhì)素含量在處理后3~6 d達到較高水平,有助于增加細胞壁厚度和組織木質(zhì)化程度,從而提高煙株對青枯菌入侵的抵抗能力,不同接菌時間間隔試驗結(jié)果(2.1.2)也顯示3~6 d時,煙草對青枯病的抗病能力達到最佳。

        本文在盆栽接種條件下,研究了順-冷杉醇灌根施用對煙草青枯病的防效,并初步探索了其作用機制。但順-冷杉醇在大田生產(chǎn)條件下誘導煙草對青枯病抗性的效果還需深入研究與驗證。

        4? 結(jié)? 論

        研究表明,順-冷杉醇誘導煙草抗青枯病的適宜施用條件為濃度60~80 mg/L,時間間隔3~6 d,處理2~3次。順-冷杉醇灌根處理可顯著提升煙草根部防御酶系CAT、POD、SOD、PPO、PAL活性與植物激素JA、SA的含量,使得多酚類物質(zhì)和木質(zhì)素的含量顯著增加,同時提高ROS合成(NtSIPK)、MAPK級聯(lián)反應(NtMEK2和NtMAPK)、苯丙烷代謝途徑(NtPAL和NtC4H)相關(guān)防御基因表達水平,增強了煙草抵御青枯病菌感染的能力。此結(jié)果為煙草順-冷杉醇作為青枯病誘抗劑的進一步開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應用提供研究基礎(chǔ)。

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