摘要:為研究枯草芽孢桿菌X-4在土壤中的定殖動態對青枯菌消長變化的影響,以及對番茄青枯病的防治效果,采用綠色熒光蛋白基因標記法,通過番茄盆栽試驗直接測定了其在土壤中的定殖效果及對青枯病病原菌數量、土壤微生物功能多樣性及生物量的影響。結果表明,通過綠色熒光蛋白基因標記法能成功跟蹤菌株X-4在土壤中的定殖狀況,其定殖曲線表現為一非對稱拋物線,前期緩慢上升,24 d達到高峰,當接種量為5.0×105、1.0×106CFU/(g土)時,其定殖峰值分別為2.98×107CFU/(g土)和5.03×107CFU/(g土),而青枯菌數量則呈現出與X-4相應的消長變化,處理土壤青枯菌數量在12~30 d時段內呈現下降的趨勢,而對照病菌數量處于較高水平并且還有上升趨勢,因此未接種菌株X-4處理發病早,病指高;接種微生物菌劑X-4對土壤微生物功能多樣性無不利影響,并能有效地抑制病菌,對番茄青枯病表現出明顯的防治效果,接種量為1.0×106CFU/(g土)時,35、45、55 d對青枯病的防效分別為100%、83.3%和57.2%;接種X-4還能促進番茄植株生長,增加生物量,促進結果。綠色熒光蛋白標記法可為枯草芽孢桿菌X-4在土壤中的動態變化提供直接的菌量數據,其數量與土壤中青枯菌數量的消長動態對番茄青枯病的防治效果有重要影響。
關鍵詞:枯草芽孢桿菌X-4;定殖;消長動態;番茄青枯病;防病效果
中圖分類號:Q939.96文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2011)12-2425-03
Effect of Inoculating Bacillus subtilis X-4 on Ralstonia solanacearum in Soil and Controlling Tomato Bacterial Wilt
XIAO Xiang-zheng1,LIU Ke-xing2,LIAO Zong-wen2,DU Jian-jun1
(1. College of Environmental Science and Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China;
2. New Fertilizer Resources Center, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Abstract: The effect of inoculating Bacillus subtilis X-4 on Ralstonia solanacearum in soil and controlling tomato bacterial wilt were studied using green fluorescent protein (gfp) marking method. The results indicated that the colonization of X-4 in soil could be tracked successfully by gfp marking, and the colonization curve presented an asymmetric parabola, as the amount increased slowly in the prophase and reached the highest point in the 24th day. The peak values were 2.98×107 CFU/g and 5.03×107 CFU/g dry soils respectively when inoculating X-4 at the dosage of 5.0×105 and 1.0×106 CFU/g fresh soil. Meanwhile, the amount of R. solanacearum showed corresponding dynamics. The amount of R. solanacearum in the inoculated soil showed a decreasing trend at lower level with the increase of X-4 from 12th to 30th day; but it kept on high level and showed an increasing trend in the control soil; and tomato bacterial wilt appeared earlier and more serious. Inoculating X-4 had no adverse effect on the functional diversity of soil microb,and showed obvious effect on controlling tomato bacterial wilt. When the inoculating dosage was 1.0×106 CFU/g fresh soil, the disease-control effect in the 35th, 45th and 55th day was 100%, 83.3% and 57.2% respectively. In addition, inoculating X-4 could also promote tomato growth, and increase fruit numbers. The colonization dynamics data of Bacillus subtilis X-4 in soil could be obtained directly by the method of gfp marking, and the colonization amount and the dynamics of R. solanacearum in soil had important effect on controlling tomato bacterial wilt.
Key words: Bacillus subtilis X-4; colonization; population dynamic; tomato bacterial wilt; disease-control effect
微生物接種劑又稱生物肥料,是一類含有活體微生物,當應用于作物或土壤時,能夠在作物根際或體內定殖,并起到特定肥料效應的微生物制品[1]。目前,微生物肥料在培肥地力,提高化肥利用率,抑制農作物對硝態氮、重金屬、農藥的吸收,凈化和修復土壤,降低農作物病害發生,促進農作物秸稈和城市垃圾的腐熟利用,保護環境,以及提高農作物產品品質和食品安全等方面表現出了不可替代的作用[2-4]。許多關于施用生物有機肥或生物菌劑防病的文獻多集中于研究防病效果和對土壤微生物多樣性調控指標等方面[5-7]。目前尚未有對防病菌株與病菌動態消長的研究,雖有一些通過對多樣性指數變化和防效對有益菌和病菌消長的分析和推測,但未有關于有益菌和病菌消長動態的直接證據。為此,研究采用綠色熒光蛋白基因(gfp)對拮抗菌株X-4進行了標記,研究其接種后在土壤中的動態變化規律,同時研究了對應土壤中番茄青枯病病原菌數量變化,以期為菌株X-4防病效果提供直接的研究數據,為今后的機理研究和推廣應用提供科學根據;同時通過研究枯草芽孢桿菌X-4在土壤中的定殖規律,揭示其與青枯病病原菌的動態變化及防病效果之間的關系,為指導該菌在施肥防病中的應用提供科學依據。
1材料與方法
1.1試驗材料
1.1.1枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)X-4華南農業大學新肥料資源研究中心分離并保存,對青枯病病原菌具有拮抗作用。試驗所用菌株用含綠色熒光蛋白基因的載體pGFP4412標記,標記菌株攜帶gfp和耐受濃度為100 μg/mL氨芐青霉素的抗性基因。標記菌株接種液含菌量≥2.0×108CFU/mL。
1.1.2青枯病病原菌(Ralstonia solanacearum)自華南農業大學試驗農場發病番茄植株分離,具有致病活性。接種液含菌量≥5.0×108CFU/mL。
1.1.3試驗作物番茄品種為益豐4號,為青枯病易感品種,從廣州市蔬菜研究所購入。
1.2方法
1.2.1試驗設計試驗為番茄盆栽,采用聚乙烯塑料盆,每盆裝土5 kg,試驗用土取自華南農業大學農場菜園土,系茄科作物連作土壤,為青枯病易發地,土壤基本養分狀況見表1。試驗共設3個處理:①CK.接種無菌水;②T1.接種X-4,5.0×105CFU/(g土);③T2.接種X-4,1.0×106CFU/(g土),每處理6次重復,隨機排列。所有處理移苗時均接種青枯菌1.0×105CFU/(g土)。接種劑X-4和青枯菌根據發酵培養液含菌情況用無菌水稀釋到所需量,均勻澆到移栽穴中,與土充分混勻。試驗過程中各處理氮、磷、鉀施入量相等,即N 120 mg/(kg土),P2O5 80 mg/(kg土),K2O 100 mg/(kg土),80%肥料作基肥施用,20%肥料待番茄移栽20 d后作追肥施用。番茄種子育苗前先用2%次氯酸鈉消毒2 min,然后用無菌水反復沖洗,播種在小塑料盒中(盒中土壤由栽培基質和細肥土按1∶1比例混合而成),出苗20 d后移至栽種盆中,每盆兩株。
1.2.2土壤中X-4及青枯菌數量測定
1)枯草芽孢桿菌X-4。采用含100 μg/mL氨芐青霉素的PDA培養基,并結合熒光顯微鏡觀察計數。
2)青枯菌。采用TTC培養基[8]+0.1%放線菌酮+0.2%硫酸新霉素的方法測定。
1.2.3番茄青枯病防治效果測定番茄移栽后,每天觀察植株發病情況。發病率及病情指數調查參照方中達《植病研究方法》的相關內容[9]。番茄青枯病按發病嚴重程度分為5級,0級為葉片無癥狀;1級為植株1/4以下的葉片表現萎蔫癥狀;2級為植株1/4~1/2葉片表現萎蔫癥狀;3級為植株1/2以上葉片表現萎蔫癥狀;4級為全株萎蔫死亡。病情指數=[∑(病級株數×代表數值)/(株數總和×發病最重級的代表數值)]×100。防病效果(%)=[(對照病情指數-處理病情指數)/對照病情指數]×100。
1.2.4番茄生物量指標的測定番茄株高采用卷尺測量從莖基部至最頂端的長度;植株鮮重采用直接稱量法;干重采用烘干法,先105℃殺青0.5h,然后65℃烘干至恒重。
1.2.5土壤微生物功能多樣性分析采用BIOLOG -ECO微平板研究接種微生物菌劑X-4對土壤微生物多樣性的影響。分別取移栽0、6、12、18、24、30、36 d的番茄盆栽土壤進行分析,具體方法參照文獻[10]。AWCD(Average well color development)計算方法如下:AWCD=[∑(C-R)]/31,其中C指各反應孔在590nm下測定的吸光值(OD590nm),R是對照孔的吸光值。
1.2.6數據分析數據采用SAS 9.0進行統計分析。
2結果與分析
2.1菌株X-4在土壤中的定殖動態
接種微生物菌劑后,分別于不同時間測定盆栽土壤中X-4的數量(圖1)。從圖1可以看出,不同接種水平時土壤中X-4基本呈現相似的變化規律,表現為先升后降,12 d時達到比較高的定殖水平,數量為1.69×107~1.90×107CFU/(g土),并且一直維持比較高的定殖水平至27 d左右,菌株X-4在土壤中的定殖高峰可維持10~15 d。
2.2接種X-4對土壤中青枯菌數量的影響
分別在接種X-4后0、6、12、18、24、30、36 d測定土壤中的青枯菌數量(圖2)。從圖2可以看到,青枯菌數量在接種后的幾天時間里有短暫的增加,這與番茄苗移栽后引起根際分泌物增加和接種菌劑中含有一定的營養物質有關,但隨后很快下降。對照土壤中青枯菌數量基本維持在一個比較穩定的水平,而X-4處理的土壤病菌數量則呈現下降趨勢,到30 d時降到最低水平,T1、T2處理分別比對照降低81.1%和90.1%,至36 d后青枯菌數量略有回升,這與此時土壤中拮抗菌數量下降、抑制力減弱有關。從圖2還可看出,接種量大的處理T2青枯菌數量下降趨勢更明顯,方差分析結果表明,自第12天起,接種X-4的處理其青枯菌數量與對照相比差異均達顯著水平,接種拮抗菌能有效降低盆栽土壤中病原菌數量。
2.3接種X-4對番茄青枯病的防治效果
從番茄栽培開始至55 d后收獲,連續調查其發病率和病情指數,分別統計了35、45、55 d的相關數據(表2),從表2中結果可以看到,35 d時接種清水的處理已經有青枯病發生,而接種拮抗菌X-4的處理其發生青枯病時間要晚于對照;從調查結果看,接種X-4的抑病效果呈降低趨勢,到55 d時T1和T2的抑病效果分別為30.6%和57.2%;從病情指數看,與對照相比,接種X-4的處理45、55 d時均達到顯著水平。從表2結果還可看到, 加大接種量有利于提高防病效果,T2在45 d和55 d的防效分別為83.3%和57.2%,明顯高于T1,可以得出,接種量是影響防病效果的因素之一。結合圖1結果,接種24 d枯草芽孢桿菌X-4定殖達到高峰,說明此階段是抑病力最強點,隨著時間的延長,抑病效果會隨X-4數量減少而逐漸減弱,接種45 d的防病效果要好于55 d就證明了這一點。
2.4接種X-4對番茄生物量的影響
番茄栽培55 d后收獲,分別調查其株高、鮮重、干重等生物量指標。結果發現,接種枯草芽孢桿菌X-4可以促進植株生長,表現為株高、單株鮮重、總鮮重增加,同時單株干重也有一定程度的增加,總干重增加較多,T1、T2分別增加16.00%和11.55%。此外,接種拮抗菌X-4還能促進結果,接種處理其單株結果數量均高于對照,每株分別多1.9和1.5個。試驗結果表明,菌株X-4不僅具有對病菌的抑制作用,而且還具有較好的促生效果,其防效明顯與抑菌及促生效果有關。
2.5接種X-4對土壤微生物功能多樣性的影響
圖3顯示,接種微生物菌劑X-4后不同處理的土壤AWCD除在12 d比對照有明顯的提升和24 d時T2亦高于對照外,其余時段CK與T1、T2差異不大,基本呈現相似的變化規律,即先下降、18 d左右時(T2)、24 d左右時(CK、T1)又開始回升,說明接種X-4對土壤微生物多樣性無不利影響。至于試驗中不同時間的AWCD表現出先降后升的變化規律,可能與當時試驗的環境條件變化有關系,試驗過程中經歷了一個低溫期,而低溫影響土壤微生物的代謝活性,導致AWCD下降,研究表明,在一定范圍內土壤濕度、溫度等是影響土壤微生物活性和多樣性的重要因素[11,12]。
3討論
研究微生物在土壤及作物體內的定殖是揭示其發揮促生或抗病作用的基礎,以前曾有過許多相關研究[13-15],這些文獻重點研究了引入微生物在作物根際和體內的定殖效果和規律、影響定殖的因素以及對植物病害的防效等方面,而研究接種拮抗菌與致病菌在土壤中的動態變化關系方面鮮有報道。研究通過gfp標記方法跟蹤了枯草芽孢桿菌X-4在土壤中的動態變化,并測定了病菌數量相應變化數據,顯示了兩者此消彼長的密切聯系及對番茄青枯病的影響,研究結果表明,接種X-4與病菌數量、病情指數間確實有內在聯系。
3.1菌株X-4與病菌的消長關系對青枯病的影響
研究結果顯示,在番茄生長期中枯草芽孢桿菌X-4的定殖曲線為一非對稱拋物線,前期緩慢升高,24 d達到高峰后急劇下降,且降幅很大,6 d后跌至低點,中期以24 d為最高點,由于下降快,下降后維持在較高水平的時間估計為3 d,故中期菌量高峰維持時間為12~27 d左右,菌株X-4的這一動態變化與病菌呈現明顯的此消彼長關系。由于受到高量X-4的壓制,T1、T2處理土壤青枯菌數量在12~30 d時段內處于低水平且呈現下降的趨勢,而CK由于沒有X-4的壓制作用,病菌數量處于高水平并且還有上升趨勢。這期間高數量病菌開始侵染番茄植株,35 d開始表現發病癥狀,而T1、T2處理由于病菌數量低,尚無發病,直至45 d時才表現出較輕的發病癥狀。這表明X-4與病菌的強弱消長對番茄青枯病發生有密切關系,通過施肥調控拮抗菌X-4與病菌的消長對青枯病防治有重要影響。
3.2菌株X-4動態曲線與施肥防病技術策略
土壤中枯草芽孢桿菌X-4與青枯菌的動態變化顯示二者存在密切的消長關系,并影響青枯病發生的遲早與輕重。拮抗菌X-4定殖高峰維持的時間長有利于防病。菌株X-4的動態變化曲線對于如何制定施肥防病的技術策略有重要參考價值。T1、T2處理X-4數量在達到高峰后迅速下降,對病菌的抑制隨之減弱,因而30 d后病菌數量回升,番茄感染后于45 d時表現出癥狀。如果能夠在番茄生長期將X-4數量維持在較高水平和較長時期,從而保持對病菌的有效抑制力,將有助于進一步推遲發病及減輕病情指數,甚至不發病。試驗中T1、T2處理拮抗菌X-4與病菌消長變化關系對施用策略很有啟發,研究顯示,T1、T2處理中X-4的變化曲線大致一樣,接種量高的處理T2峰值雖然高于T1,但同樣急劇下降,在6 d內降至低點,與T1一樣,這說明大幅增加菌劑用量,對延長其高峰期或減緩其衰減幅度作用甚少,宜分次施肥。試驗表明,拮抗菌X-4緩慢上升期為12 d,經過12 d后才能上升到高峰值,因此需要在X-4菌量下降至低水平(臨界水平)前12 d左右再次施用,可維持長時間的定殖高峰,如在20 d左右施第二次,則有可能在30 d時形成第二個拋物線增殖峰,而保持對病菌的有效壓制,這樣更有利于防病。譚兆贊等[16]研究也表明采用分兩次接種處理的堆肥比一次接種防病效果好。
3.3菌株X-4防病效果的綜合分析
菌株X-4的防病效果除了對青枯菌的壓制作用外,還與其促生作用有關。試驗表明,接種X-4對番茄有一定的促進生長效果,其株高、鮮重、干重等生物量指標均優于對照,X-4定殖的防病效果是抑制病菌與促生長兩方面作用的總和。提高土壤微生物多樣性有利于防治番茄青枯?。郏保叮?,平均每孔顏色變化值(AWCD)是反映土壤中微生物功能多樣性的一個重要指標[17],其大小與微生物功能多樣性密切相關,AWCD高有利于維持土壤微生物多樣性水平因而有利于防病。試驗表明,X-4定殖對土壤微生物AWCD沒有不利影響,而且在某一時段還略有提升。因此,從抑制病菌、促進番茄生長和土壤微生物多樣性方面來分析,菌株X-4都有作用,其防病效果是這幾個因素的綜合反映。
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