賈方方,許躍奇,閻海濤,何曉冰,李俊營(yíng),劉冬梅,王亞月,常 棟*
1. 商丘師范學(xué)院生物與食品學(xué)院 植物與微生物互作河南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南省商丘市睢陽(yáng)區(qū)文化路298 號(hào) 476000
2. 河南省煙草公司平頂山市公司,河南省平頂山市建設(shè)路263 號(hào) 467000
煙草根腐病在我國(guó)煙區(qū)普遍發(fā)生,危害嚴(yán)重。近年來(lái),隨著我國(guó)土地集約化程度不斷提高,煙田連作更加普遍,根腐病的發(fā)生日益嚴(yán)重,甚至呈蔓延趨勢(shì)[1]。其中,鐮刀菌根腐?。‵usarium spp.)是河南煙區(qū)的主要根莖類病害,其病原菌檢出率52.60%[2]。據(jù)報(bào)道,其病原菌主要有尖孢鐮刀菌(F.oxysporum)、茄病鐮刀菌(F. solani)、半裸鐮刀菌(F.semitectum)和共享鐮刀菌(F. commune)[3],不同地域引起該病害的致病菌存在差異[4-5]。平頂山煙區(qū)是河南的傳統(tǒng)煙區(qū),該病害在重病煙田的發(fā)病率達(dá)30%以上,嚴(yán)重影響了煙葉產(chǎn)質(zhì)量,降低了其工業(yè)可用性[4,6]。同時(shí),根腐病的發(fā)生會(huì)加重黑脛病的發(fā)生,進(jìn)一步擴(kuò)大損失[7]。當(dāng)前針對(duì)煙草根莖類病害的防治措施主要有采用抗病品種[8-9]、生物防治[10-11]、農(nóng)業(yè)防治[12-13]和化學(xué)藥劑防治[14-15]等,其中生物防治以其安全、高效、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),已成為國(guó)內(nèi)外作物病害防治的重要措施。微生物菌株篩選是生物防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。趙娟等[16]篩選到可產(chǎn)纖維素酶和幾丁質(zhì)酶的生防鏈霉菌T22,可有效抑制番茄灰霉病病原真菌菌絲的生長(zhǎng)。郝金輝等[17]報(bào)道多黏類芽孢桿菌(Paenibacillus polymyxa)JE53 和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)JE56 均可產(chǎn)生4 種胞外酶(纖維素酶、幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶和蛋白酶),掃描電鏡發(fā)現(xiàn)這2 株拮抗菌均可導(dǎo)致病原菌互隔交鏈孢(Alternaria alternata)菌絲表面粗糙,扭曲變形。羅云艷等[18]從煙草根際土壤中分離的解淀粉芽孢桿菌LY79 對(duì)煙草根黑腐病的盆栽防效達(dá)71.54%。張蒙蒙等[19]從煙草根際土壤中分離的嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌可抑制煙草疫霉菌生長(zhǎng),對(duì)煙草黑脛病的防效分別達(dá)50.5%和61.5%。原晨虹等[20]研究發(fā)現(xiàn)地衣芽孢桿菌BL-24 可有效防治煙草炭疽病,其發(fā)酵液對(duì)煙草炭疽病的田間防效達(dá)56.28%,與藥劑50%多菌靈WP的防效相當(dāng)。我國(guó)首次報(bào)道煙草鐮刀菌根腐病是在20 世紀(jì)90 年代末[21],相比煙草黑脛病、根黑腐病和青枯病等根莖類病害[22-23],該病的研究歷史短,化學(xué)特效藥劑和抗性煙草品種較為缺乏,針對(duì)以Fusarium spp.為病原的鐮刀菌根腐病拮抗微生物的研究也鮮見報(bào)道。為此,以平頂山煙區(qū)煙草根腐病的發(fā)病煙株及根際土壤為材料,從中分離出煙草根腐病的病原菌并鑒定,確定引起平頂山煙草根腐病的致病菌;從發(fā)病煙田的健康煙株根際土壤中篩選煙草鐮刀菌根腐病的拮抗菌,測(cè)定其生防潛力,并探討其拮抗機(jī)理及傳代培養(yǎng)穩(wěn)定性,旨在為豐富煙草鐮刀菌根腐病的生防菌種資源,開發(fā)鐮刀菌根腐病生防菌劑提供依據(jù)。
煙草鐮刀菌根腐病(Fusarium spp.)病原菌尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)于2021 年分離自河南省平頂山市煙草根腐病發(fā)生煙田,由商丘師范學(xué)院植物與微生物互作河南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分離、純化、保存、鑒定并提供。
菌株分離:分別選取平頂山煙區(qū)鐮刀菌根腐病發(fā)病較重地塊的健康煙株,采集5~10 cm深的根際土壤10份,每份1 000 g。參照Niemann的稀釋涂布平板法,將待測(cè)土壤除雜過(guò)篩(0.420 mm)后,稱取5 g加到100 mL 三角瓶中,用無(wú)菌水定容至50 mL,于28 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中,200 r/min振蕩1 h,使待測(cè)土樣充分稀釋均勻。靜止沉淀后,取上清液1 mL梯度稀釋至10-1~10-6倍,吸取各梯度溶液200 μL,用滅菌的涂布器均勻涂布在NA 培養(yǎng)基上,37 ℃恒溫培養(yǎng)48 h,以無(wú)菌水為空白對(duì)照,3 次重復(fù)。挑取生長(zhǎng)性狀不同的單菌落,多次平板培養(yǎng)和純化,直到獲得純化的單菌落,甘油保存。
菌株篩選:采用平板對(duì)峙法,用直徑1 cm 的打孔器將病原菌接種到培養(yǎng)基的中間,采用三點(diǎn)法在距平板中央2 cm等距離接種不同的土壤分離菌,以不接種分離菌為對(duì)照,于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d,每處理3 次重復(fù),待對(duì)照菌落長(zhǎng)至接近培養(yǎng)皿邊緣時(shí),測(cè)量煙草鐮刀菌根腐病病原菌菌落直徑和抑菌圈直徑。計(jì)算公式:
菌株鑒定:將分離純化菌株L210 置于LB 培養(yǎng)基上,于25 ℃培養(yǎng),待分離菌絲長(zhǎng)成菌落,用解剖針挑取少量菌絲置于載玻片上,加入幾滴無(wú)菌水,蓋上蓋玻片制成臨時(shí)裝片,于顯微鏡(DM2500,德國(guó)徠卡顯微系統(tǒng)有限公司)下觀察菌絲及分生孢子形態(tài);參照文獻(xiàn)[24-25]的方法對(duì)菌株進(jìn)行生理生化測(cè)定,16S rDNA序列分析[26],對(duì)L210菌株進(jìn)行種屬鑒定。
制備L210 細(xì)胞懸液(1×105cfu/mL),將粗提物溶于磷酸緩沖液(pH值7.2)配制質(zhì)量濃度為50 μg/mL的粗提液。取5 μL細(xì)胞懸浮液置于載玻片,用5 μL的50 μg/mL 的粗提液處理,對(duì)照用磷酸緩沖液(pH值7.2)處理,均為24 h。將載玻片用2.5%戊二醛4 ℃固定過(guò)夜,磷酸緩沖液漂洗3 次,然后用30%、50%、70%、90%的乙醇逐級(jí)脫水1次,100%乙醇脫水2 次,每次20 min,再用乙酸異戊酯置換100%乙醇2次,每次20 min,臨界點(diǎn)干燥后噴金,用掃描電子顯微鏡(SU8010,日本日立公司)觀察菌體細(xì)胞[27]。
分別收集L210 菌株發(fā)酵液的上清液(全菌液經(jīng)12 000 r/min離心5 min,取上清液過(guò)濾)與菌體細(xì)胞破碎液T3(收集100 mL全菌液,4 ℃,6 500 r/min,離心10 min,棄上清液,加5 mL 50 mmol/L pH 值7.5 KH2PO4-K2HPO4緩沖溶液,超聲破碎)。再分別使用纖維素酶活性檢測(cè)試劑盒(YX-SH-TQ22025,上海原鑫生物科技有限公司)測(cè)定纖維素酶含量,幾丁質(zhì)酶活性檢測(cè)試劑盒(YX-W-B917,上海原鑫生物科技有限公司)檢測(cè)幾丁質(zhì)酶含量。
采用盆栽試驗(yàn),在煙苗移栽后30 d 分別接種L210 發(fā)酵液原液(1.0×108cfu/mL)、10 倍(1.0×109cfu/mL)、100 倍(1.0×1010cfu/mL)發(fā)酵液10 mL,以清水處理為對(duì)照(CK),各處理設(shè)置10次重復(fù)。接種后第0、3、6、9天取第3片葉,采用鄰苯二酚法測(cè)定多酚氧化酶(PPO)活性[28],愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性[29],苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性測(cè)定參考文獻(xiàn)[30]的方法。
盆栽試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理??瞻讓?duì)照(CK):只接種病原菌。旺泰寶處理:旺泰寶(上海大井生物工程有限公司,有效菌種哈茨木霉菌,生防菌劑對(duì)照)藥液濃度為1%,每株煙澆灌65 mL。碧苗處理:碧苗(山東魯抗海柏爾生物技術(shù)有限公司,有效菌種枯草芽孢桿菌,生防菌劑對(duì)照)稀釋1 000倍后,每株煙灌根65 mL。甲霜錳鋅處理:使用58%甲霜·代錳鋅可濕性粉劑(江蘇寶靈化工股份有限公司,甲霜靈含量10%,代森錳鋅含量48%,化學(xué)藥劑對(duì)照)稀釋600倍,每株灌根20 mL。L210處理:將擴(kuò)繁培養(yǎng)的L210菌株稀釋,制成發(fā)酵液(細(xì)胞濃度1.0×108cfu/mL),采用灌根法每盆灌根20 mL。各煙株首次施用菌劑或農(nóng)藥7 d后灌根接種尖孢鐮刀菌發(fā)酵液20 mL,此后每7 d灌根1次,共灌根3次。每處理8株,各處理重復(fù)3 次,接種煙草尖孢鐮刀菌發(fā)酵液14 d 后開始調(diào)查發(fā)病情況。供試煙草品種為中煙100。
大田復(fù)篩試驗(yàn)在平頂山市白龍廟村進(jìn)行,設(shè)置除CK為自然發(fā)病外,其余處理同盆栽一致。每處理50 株,重復(fù)3 次。煙株于2021 年5 月1 日移栽,還苗后按照盆栽試驗(yàn)的10倍體積用量施用各處理,每隔15 d 灌根施用,共灌根3 次,于最后一次灌根后15 d開始調(diào)查發(fā)病情況。按照優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行田間管理。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23222—2008[31]和GB/T 23224—2008[32]方法進(jìn)行煙草根腐病病情指數(shù)分級(jí),并略做修改。計(jì)算公式:
采用SPSS 13.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,采用Duncan’s法進(jìn)行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗(yàn)。
從煙草的根際土壤中共分離土壤微生物512株,對(duì)尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)具有拮抗作用的共33 株,篩出率為6.44%。其中,以L210 對(duì)鐮刀菌根腐病抑制效果最好,菌株在平板對(duì)峙培養(yǎng)中產(chǎn)生了清晰的抑菌圈,抑菌直徑達(dá)71.4 mm,病原菌的菌絲稀疏,邊緣受到抑制和溶解,抑菌率為68.2%,見圖1。
圖1 菌株L210對(duì)尖孢鐮刀菌的平板對(duì)峙培養(yǎng)Fig.1 Plate confrontation culture of strain L210 against Fusarium oxysporum
2.2.1 菌株的形態(tài)與生理生化特征
菌株L210經(jīng)72 h培養(yǎng)后,進(jìn)行顯微觀察和掃描電鏡觀察,結(jié)果顯示該菌菌體呈直桿狀,菌落絲狀,呈不透明的乳白色,表面干燥、褶皺、小而突起,邊緣呈鋸齒狀,菌體直徑0.5~0.8 μm,長(zhǎng)0.9~2.0 μm,端圓,無(wú)芽孢,有莢膜和鞭毛,能運(yùn)動(dòng)(圖2)。其生理生化特征見表1。該菌株為革蘭氏陰性菌,甲基紅試驗(yàn)、V-P試驗(yàn)、賴氨酸脫羧酶試驗(yàn)、葡萄糖產(chǎn)氣試驗(yàn)等結(jié)果均為陽(yáng)性;發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸,可利用檸檬酸鹽和蘋果酸;苯丙氨酸脫氨酶試驗(yàn)、過(guò)氧化氫酶活性試驗(yàn)、尿素酶活性試驗(yàn)、氧化酶活性試驗(yàn)、精氨酸雙水解酶活性試驗(yàn)、衛(wèi)矛醇產(chǎn)酸試驗(yàn)、乳糖產(chǎn)酸試驗(yàn)、D-阿東醇產(chǎn)酸試驗(yàn)、L-阿拉伯糖試驗(yàn)等結(jié)果均為陰性,不可利用丙二酸。與參考文獻(xiàn)[24-25]進(jìn)行比對(duì),其生理生化特性與液化沙雷氏菌一致,可初步鑒定為液化沙雷氏菌(Serratia liquefaciens)。
表1 L210菌株的生理生化特性①Tab.1 Physiological and biochemical characteristics of strain L210
圖2 菌株L210電鏡下的孢子形態(tài)Fig.2 Spore morphology of strain L210 under electron microscope
2.2.2 菌株的16S rDNA擴(kuò)增及序列分析
以菌株L210 的基因組DNA 為模板(引物序列:27f:5'-AGAG TTTG ATCC TGGC TCAG-3';1492r:5'-GGTT ACCT TGTT ACGA CTT-3'),PCR 擴(kuò)增后經(jīng)電泳檢測(cè),得到1條約為1 kb的特異性條帶。PCR產(chǎn)物經(jīng)測(cè)序顯示:擴(kuò)增序列長(zhǎng)度為993 bp。同源性分析結(jié)果表明,L210 為腸桿菌科、沙雷氏菌屬(Serratia)(圖3)。
圖3 菌株L210的16S rDNA系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.3 16S rDNA phylogenetic tree of strain L210
2.3.1 病原菌的掃描電鏡觀察
利用掃描電鏡分別對(duì)病原菌尖孢鐮刀菌和經(jīng)L210 拮抗菌發(fā)酵液處理過(guò)的病原菌進(jìn)行觀察,從圖4中可見,對(duì)照組的菌絲表面致密光滑,形狀飽滿、均勻。經(jīng)L210菌株發(fā)酵液處理后,煙草鐮刀菌根腐病病原菌菌絲的生長(zhǎng)發(fā)育明顯受到抑制,菌絲表面萎縮凹陷干癟、粗糙不平整,菌絲扭曲變形,細(xì)胞質(zhì)濃縮,部分菌絲壁潰解,最終失去侵染能力。
2.3.2 拮抗菌株的代謝產(chǎn)物分析
在L210 菌株的發(fā)酵上清液以及細(xì)胞粗提物中均檢測(cè)到了幾丁質(zhì)酶和纖維素酶(表2),且均表現(xiàn)為上清液中的含量顯著高于細(xì)胞粗提物中的含量,表明該菌株能產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶和纖維素酶,具有分解幾丁質(zhì)和纖維素的能力。
表2 菌株L210的幾丁質(zhì)酶和纖維素酶含量①②Tab.2 Contents of chitinase and cellulose in strain L210(U·mL-1)
2.3.3 拮抗菌發(fā)酵液對(duì)煙苗防御酶活性的誘導(dǎo)
PPO、POD 和PAL 是3 種極為重要的防御酶,與植物的抗(耐)病性密切相關(guān)[33]。由圖5可見,不同處理間煙葉內(nèi)幾種防御酶活性變化規(guī)律整體上一致。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),PAL 和POD 表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì),在接種后第6 天達(dá)到活性高峰,然后下降;PPO則表現(xiàn)為接種后0 d至3 d波動(dòng)下降,而后明顯升高,同樣在第6 天達(dá)到活性高峰后再下降。同對(duì)照相比,接種了L210菌株發(fā)酵液原液、10 倍濃度發(fā)酵液(1.0×109cfu/mL)、和100倍濃度發(fā)酵液(1.0×1010cfu/mL)均可提高3種防御酶活性,在接種后6 d和9 d,3種酶活性均顯著提高。其中,CK 的PAL 活性在第9天達(dá)到酶活高峰,接種發(fā)酵液后使酶活高峰提前。不同濃度發(fā)酵液對(duì)煙草3種防御酶活性的影響除了接種后第9 天PAL 和POD 活性以100 倍濃度最高外,其余整體表現(xiàn)為10倍濃度發(fā)酵液誘導(dǎo)下煙葉內(nèi)防御酶活性最高。
圖5 L210菌株不同濃度發(fā)酵液對(duì)煙葉PPO、POD和PAL酶活性的影響Fig.5 Effect of L210 strain fermentation at different concentrations on activities of PPO, POD and PAL in tobacco leaves
由表3可見,CK處理發(fā)病率為100%,旺泰寶、碧苗、甲霜錳鋅和L210處理煙草鐮刀菌根腐病的發(fā)病率分別為85.7%、100%、71.4%和0;盆栽試驗(yàn)病情指數(shù)仍以CK 最高(89.3),碧苗、旺泰寶、甲霜錳鋅和L210 各處理病情指數(shù)分別為75.0、78.6、42.9 和0;各處理盆栽試驗(yàn)相對(duì)防效分別為16.0%、11.9%、51.9%和100%。以L210 處理的相對(duì)防效最高(100%),無(wú)發(fā)病煙株。
表3 菌株L210對(duì)盆栽及大田病害的防效①Tab.3 Control effects of strain L210 in pot and field experiments
大田復(fù)篩試驗(yàn)中以自然發(fā)病的處理CK 的發(fā)病率最高(11.1%),碧苗、旺泰寶、甲霜錳鋅和L210 各處理的發(fā)病率分別為4.6%、13.0%、6.2%和6.0%;病情指數(shù)分別達(dá)6.3、2.7、6.0、4.6 和1.5;各處理均有一定的防治效果,相對(duì)防效以L210最佳(77.9%),其次為微生物菌劑碧苗處理(56.4%)。
鐮刀菌根腐病的主要致病菌為尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)和茄病鐮刀菌(Fusarium solani)[8],各生態(tài)區(qū)域的主要致病菌種類型不同[4-5]。本研究中明確了平頂山市煙草根腐病的病原菌為尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum),該致病菌寄主范圍廣,能侵染多種作物,既可單獨(dú)侵染,亦可與煙草疫霉菌、根結(jié)線蟲混合侵染,造成煙株死亡[34]。
本研究中從煙株根際土壤中分離了1 株對(duì)尖孢鐮刀菌拮抗作用較好的菌株L210,經(jīng)鑒定為液化沙雷氏菌(Serratia liquefaciens)。沙雷氏菌屬菌株廣泛分布于自然界,是土壤、植物中的常居菌群,其次生代謝產(chǎn)物靈菌紅素(Prodigiosin,PG)可穿過(guò)細(xì)胞膜,直接抑制靶酶,誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生自溶素,使細(xì)胞發(fā)生程序性死亡,在植物病蟲害防治方面具有巨大的應(yīng)用前景和研發(fā)價(jià)值[35-36]。
誘導(dǎo)抗性被認(rèn)為是生物防治作物病害的主要機(jī)制之一,植物抗性相關(guān)防御酶如PPO、POD和PAL活性均可用來(lái)衡量和鑒定植物的抗病性,其主導(dǎo)著生物的新陳代謝、能量轉(zhuǎn)換等催化過(guò)程,與生命活動(dòng)密切相關(guān)。PPO和PAL是苯丙烷類代謝途徑中的關(guān)鍵酶和限速酶,可直接調(diào)控酚酸形成,抑制磷酸化酶、轉(zhuǎn)氨酶、果膠酶等的合成,進(jìn)而防止病原菌繁殖擴(kuò)散;POD 是植物體內(nèi)主要的活性氧清除劑,還能通過(guò)保護(hù)酶蛋白和木質(zhì)素的合成來(lái)抵抗病原菌的入侵[37]。前人研究表明,這3 種酶與玉米對(duì)大斑病的抗性關(guān)系非常密切[38]。本研究中接種生防菌株L210的煙苗,其PPO、POD和PAL等防御酶活性的變化幅度均高于只澆灌清水的處理,尤其以接種10倍發(fā)酵液的活性最高,且在接種后6 d提前達(dá)到防御酶活性高峰,表明接種拮抗菌可誘導(dǎo)煙株抗性相關(guān)酶的表達(dá),從而有效提高煙株對(duì)煙草根腐病的抗性。
病原真菌尖孢鐮刀菌的細(xì)胞壁以幾丁質(zhì)、纖維素為骨架,故生防細(xì)菌可通過(guò)產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶、纖維素酶等胞外水解酶溶解病原真菌細(xì)胞壁,造成其菌絲崩解[39]。本研究中篩選的液化沙雷氏菌(Serratia liquefaciens)L210,其發(fā)酵液和細(xì)胞粗提物中均含有幾丁質(zhì)酶和纖維素酶,推測(cè)拮抗菌株L210通過(guò)產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶和纖維素酶等抗菌物質(zhì),改變或降解致病菌細(xì)胞壁,使細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激反應(yīng),細(xì)胞的滲透壓平衡遭到破壞,從而達(dá)到抑菌目的。掃描電鏡觀察顯示,經(jīng)與L210共培養(yǎng)后,尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)菌絲畸變,細(xì)胞質(zhì)濃縮,部分菌絲壁潰解,進(jìn)一步說(shuō)明拮抗菌L210可作用于真菌細(xì)胞壁,通過(guò)產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶、纖維素酶等活性物質(zhì)來(lái)破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),然而其抑菌作用機(jī)理還需進(jìn)一步的研究。
①?gòu)钠巾斏綗焻^(qū)煙草根腐病發(fā)病地塊兒采集成熟期發(fā)病煙株,經(jīng)分離、純化和分子鑒定,確定平頂山市煙草根腐病的病原菌為尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)。②從煙草根際土壤中分離、篩選出尖孢鐮刀菌的高效拮抗菌L210,通過(guò)形態(tài)學(xué)、生理生化特征、16S rRNA 初步將其鑒定為腸桿菌科,沙雷氏菌屬的液化沙雷氏菌(Serratia liquefaciens)。③盆栽和大田復(fù)篩試驗(yàn)表明,該菌株L210可有效降低煙草尖孢鐮刀菌根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù),相對(duì)防效較好(100%和77.9%)。④在L210 的發(fā)酵液和組織破碎液中均檢測(cè)到了幾丁質(zhì)酶和纖維素酶,以發(fā)酵液中含量相對(duì)較高。L210菌株發(fā)酵液可溶解病原真菌的細(xì)胞壁,抑制菌絲的生長(zhǎng)發(fā)育,使其干癟扭曲,進(jìn)而失去侵染能力;同時(shí),L210菌株的發(fā)酵液可顯著誘導(dǎo)提高煙苗中PPO、POD和PAL等防御酶的活性,在接種后第6 天達(dá)到活性高峰,其中以孢子濃度1.0×109cfu/mL的效果最佳。因此,該菌株可以提高煙苗抗病能力,具有較好的生防潛力。