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腫節風炭疽病拮抗真菌篩選及作用機理研究

2019-09-10 06:14:59宋利沙蔣妮藍祖栽張占江郭曉云
南方農業學報 2019年10期

宋利沙 蔣妮 藍祖栽 張占江 郭曉云

摘要:【目的】篩選腫節風炭疽菌(Colletotrichum dematium)拮抗真菌,為腫節風炭疽病的生物防治提供科學依據。【方法】采用平板稀釋法和平板對峙法從腫節風主產區廣西靖西市和都安縣健康腫節風根系土壤中篩選出對腫節風炭疽病菌及14種其他植物病原真菌具有較強抑制作用的真菌,采用ELISA試劑盒測定拮抗真菌無菌發酵液中的蛋白酶、纖維素酶和幾丁質酶含量,綜合平板對峙培養、抑菌譜及產酶能力選取綜合表現最優的拮抗菌株;基于形態學和分子生物學特征對拮抗菌株進行鑒定。【結果】平板對峙試驗結果表明,菌株JT-8、JT-3和DT-5對腫節風炭疽病菌具有較強的拮抗作用,其中拮抗作用最強的菌株是JT-8,對炭疽病菌的抑制率達91.57%。抗菌譜測定結果表明,菌株JT-8、JT-3和DT-5對供試14種病原真菌均有明顯的拮抗作用,其中拮抗作用最強的為菌株JT-8,平均抑制率達89.88%,該菌株可產生幾丁質酶、纖維素酶和蛋白酶,可抑制炭疽病菌菌絲生長,病原菌菌絲表現為扭曲、斷裂、分支纏繞和顏色加深等。通過形態學觀察和ITS測序鑒定,確定菌株JT-8為淡紫紫孢菌(Purpureocillium lilacinum)。【結論】淡紫紫孢菌對腫節風炭疽病病原菌具有強拮抗作用,能產生多種抗菌活性物質,且廣譜抑菌,具有較好的生防開發潛能。

關鍵詞: 腫節風;炭疽病;拮抗真菌;抗菌活性;生物防治

中圖分類號: S435.67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼: A 文章編號:2095-1191(2019)10-2214-08

Screening and mechanism of fungi antagonistic to Colletotrichum dematium of Sarcandra glabra(Thunb.)

SONG Li-sha1, JIANG Ni1,2*, LAN Zu-zai1, ZHANG Zhan-jiang1, GUO Xiao-yun1

(1Guangxi Botanical Garden of Medicinal Plants, Nanning? 530023, China; 2College of Agriculture,

Guangxi Univeisity,Nanning? 530004, China )

Abstract:【Objective】Screening Colletotrichum dematium antagonistic fungi of Sarcandra glabra to provide scienti-fic basis for biological control for S. glabra anthracnose. 【Method】The fungi with strong inhibitory effect on the anthracnose of S. glabra and 14 other plant pathogenic fungi were screened by plate dilution method and plate confrontation me-thod from the health root soil of S. glabra producing areas, Jingxi and Du’an of Guangxi. ELISA kit was used to determine the content of protease, cellulase and chitinase in the aseptic fermentation broth of antagonistic fungi,antagonistic strains with the best comprehensive performance were selected from the plate confrontation culture, antifungal spectrum and enzyme production ability. Antagonistic strains were identified based on morphological and molecular biological characteristics. 【Result】By plate confrontation test, the results showed that the strains JT-8, JT-3 and DT-5 had antagonistic effect against anthracnose of S. glabra, strain JT-8 had the highest antagonistic effect and antagonism rate was 91.57%. Antifungal spectrum tests showed that strains JT-8, JT-3 and DT-5 had antagonistic activities against 14 plant pathogens, JT-8 had the strongest antagonistic activity and antagonism rate was 89.88%. The result of antibiosis mechanism indicated that three strains could produce chitinase, cellulose and protease to inhibit growth of anthracnose bacteria, and the mycelia showed distorted, fractured, with increased and winding branches and deepened color. Based on morphological and ITS rDNA sequence analysis, strain JT-8 was identified as Purpureocillium lilacinum. 【Conclusion】P. lilacinum has strong antagonistic effects against anthracnose of S. glabra,? it can produce a variety of antibacterial substances which have broad spectrum bacteriostatic activity. Therefore it has good potential for biological control development and prevention.

Key words: Sarcandra glabra; Colletotrichum dematium; antagonistic fungi; antimicrobial activities; biological control

0 引言

【研究意義】腫節風[Sarcandra glabra(Thunb.)Nakai]具有清熱涼血、活血消斑、祛風通絡等功效(李成仁等,2009),是中國藥典的收錄品種(國家藥典委員會,2015),也是廣西重要的傳統瑤藥品種“七十二風”中重要的風藥品種之一(龐聲航,2008)。在腫節風大規模種植過程中易發生由半知菌類炭疽屬黑線炭疽菌(Colletotrichum dematium)侵染所致的葉部病害,該病害在廣西靖西、融安和東蘭等縣(市)大面積蔓延,平均發生率在50%以上,在融安縣的林下套種模式中發病率高達65%(蔣妮等,2012)。化學防治是目前控制腫節風炭疽病的主要方法,但化學藥劑防治極易導致病原菌產生抗耐藥性、病害易復發及農藥殘留等問題(蔣妮等,2014)。利用生防菌防治植物病害,因具有對環境安全的優點,已成為防治植物病害的重要方法之一,是目前國內外研究熱點,也是未來綠色中藥材發展的趨勢。【前人研究進展】近年來,研究者從不同藥用植物的根系土壤中分離到多種真菌,并篩選出能產生抑菌防病活性物質的真菌,如從姜黃(Curcuma longa)中分離得到的莖點霉菌(Phoma herbarum)內生真菌對葉部病害致病菌具有拮抗作用(Gupta et al.,2016);從人參根際土壤中分離到的鐮刀菌屬(Fusarium sp. PN8)和曲霉屬(Aspergillus sp. PN17)真菌已應用于人參皂苷等成分的發酵制備(Jin et al.,2017);從印度芳香植物檸檬馬薄荷(Monarda citriodora)中分離得到的鐮刀菌、黃曲霉和Muscodor等具有較強的抗菌活性,顯示出良好的應用前景(Ktoch and Pull,2017);從印度藥用植物黃花稔(Sida acuta)中分離得到的具有拮抗活性的硫色曲霉(Aspergillus sulphureus)可抑制大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌和傷寒桿菌(Murali et al.,2017);從光果甘草中分離得到的腐皮鐮刀菌(Fusarium solani)具有抗結核的作用(Shah et al.,2017)。針對腫節風炭疽病的防治,蔣妮等(2014)的研究結果表明,戊唑醇、苯醚·咪鮮胺、咪鮮胺和苯醚甲環唑4種藥劑對由黑線炭疽引起的腫節風炭疽病田間防效均在70%以上;宋利沙和蔣妮(2018)、宋利沙等(2018)分別從廣西藥用植物園科研基地土壤中分離獲得的棘孢木霉(Trichoderma asperellum)和甲基營養型芽孢桿菌(Bacillus methylotrophicus)對腫節風炭疽病菌有較好的抑制作用。【本研究切入點】目前利用有益微生物防治植物病害的研究已有較多報道,而生物防治在中藥材腫節風炭疽病上的研究報道較少,尤其是在病害盛行的廣西靖西市和都安縣尚未進行拮抗真菌的篩選研究。【擬解決的關鍵問題】采用平板稀釋和平板對峙法,從腫節風主產區廣西靖西市和都安縣健康腫節風根系土壤中篩選出對腫節風炭疽病菌及14種其他植物病原真菌具有較強抑制作用的真菌,利用ELISA試劑盒對較強拮抗菌株進行產酶能力測定,并基于形態學和分子生物學特征對強拮抗菌株進行鑒定,以期為腫節風炭疽病的生物防治提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

1. 1. 1 供試病原菌 腫節風炭疽病菌為黑線炭疽菌(Colletotrichum dematium),編號Z1,由廣西藥用植物園植物病理研究室分離鑒定保存。供試14種病原真菌包括三七灰霉病菌(Botrytis sp.)、三七黑斑病菌(Alternaria panax)、三七炭疽病菌(Colltetorrichum gloeosporioides)、三七根腐病菌(Fusarium solani)、豆蔻葉斑病菌(Phyllosticta sp.)、苦玄參葉斑病菌(Alternaria sp.)、艾納香褐斑病菌(Phoma sp.)、羅漢果葉斑病菌(Stagonosporopsis cucurbitacearum)和廣西莪術葉斑病菌(Phomopsis sp.)9種藥用植物病原真菌及香蕉炭疽病菌(Colltetorrichum sp.)、香蕉枯萎病菌(F. oxysporum)、香蕉葉斑病菌(Alternaria sp.)、西瓜枯萎病菌(F. oxysporum)和煙草灰霉病菌(Botrytis cinerea)5種農作物病原真菌,均由廣西藥用植物園植物病理研究室提供。

1. 1. 2 樣品采集 在廣西都安縣和靖西市,采用五點取樣法采集不同腫節風種植區健康植株的根系土壤,取樣時用無菌小毛刷刷取植株根上的土壤,每5株的根系土壤均勻混合為一個樣品,編號并封存于無菌保鮮袋中,置于冰盒,帶回實驗室晾干、去雜、過篩,48 h內分離真菌。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 根系土壤真菌分離 將采集的健康腫節風根系土壤晾干,分別稱重1 g,參照張廣志等(2009)、耿海峰等(2010)的方法,采用平板稀釋法分離真菌,28 ℃恒溫培養3 d。將不同形態的真菌單菌落在PDA培養基上劃線純化和編號,4 ℃冰箱保存備用。

1. 2. 2 拮抗真菌篩選 參考朱宏建等(2012)、張瑾等(2014)的方法,采用平板對峙法進行拮抗真菌篩選。在直徑9 cm的PDA培養基中央接種直徑5 mm的腫節風炭疽病菌組織塊,在離組織塊2 cm處的兩側等距離接種1.2.1中分離得到的土壤真菌,以只接種病原菌的PDA培養基為對照。每處理3次重復。28 ℃恒溫培養,7 d后計算菌落生長抑制率,篩選出對腫節風炭疽病菌有拮抗作用的真菌。菌落生長抑制率(%)=(對照菌落直徑-處理菌落直徑)/對照菌落直徑×100。

1. 2. 3 拮抗真菌抗菌譜測定 對1.2.2中菌落生長抑制率>80.00%的拮抗真菌進行抗菌譜測定。測定方法同1.2.2。

1. 2. 4 拮抗真菌產酶能力測定 綜合拮抗真菌平板對峙培養和抑菌譜測定結果,選取綜合表現較好的拮抗菌株,進一步測定拮抗菌的幾丁質酶、纖維素酶和蛋白酶含量。挑取拮抗菌株單菌落接種于50 mL的PDB培養液中,28 ℃下180 r/min恒溫振蕩發酵培養7 d,發酵液用無菌紗布和濾紙過濾后,10000 r/min離心15 min,取上清液,經0.22 μm濾膜過濾,得到無菌發酵液。用ELISA試劑盒(AndyGene生物技術有限公司)測定無菌發酵液中的蛋白酶、纖維素酶和幾丁質酶含量,方法參見試劑盒說明書。

1. 2. 5 拮抗真菌鑒定

1. 2. 5. 1 形態鑒定 將綜合表現最好的拮抗真菌接種在PDA培養基上培養7~15 d,記錄菌落形態(方中達,1998);在光學顯微鏡下觀察并記錄其分生孢子和子實體結構的形態特征,對照《真菌鑒定手冊》(魏景超,1979)進行初步鑒定。

1. 2. 5. 2 分子生物學鑒定 采用MightyAmp DNA Polymerase Ver.3(1.25 U/50 μL)(TaKaRa R076A)試劑盒,挑取拮抗真菌的菌落作為模板直接用于PCR擴增。采用真菌ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCTGC GG-3')和ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')通用引物,反應體系50.0 μL:2×MightyAmp Buffer(1f)25.0 μL,10×Addtitive for High Specificity(1f)5.0 μL,引物ITS1和ITS2(15 pmoL)各1.5 μL,加ddH2O補足至50.0 μL。擴增程序:98 ℃預變性2 min;98 ℃ 10 s,60 ℃ 15 s,68 ℃60 s,進行40個循環;68 ℃延伸10 min。反應完成后經1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物,切膠回收目的片段,送至生工生物工程(上海)股份有限公司測序。利用BLAST程序(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)將測得序列與GenBank中的序列進行比對。利用MEGA 6.0的Neighbor-Joining法構建ITS rDNA系統發育進化樹。

1. 2. 6 拮抗菌株形態觀察 光學顯微鏡下觀察拮抗菌株分生孢子的形態特征,拍照并記錄。

1. 2. 7 拮抗菌株對炭疽病菌菌絲的抑制生長曲線測定 將直徑為5 mm的炭疽病菌菌餅接種至PDA培養基中央,在離菌餅2 cm處的兩側等距離接種拮抗菌單菌落,以只接種炭疽病菌菌餅的PDA培養基為對照。28 ℃恒溫培養,培養1、3、5、7、9、11和13 d時測定對照菌落直徑和處理菌落直徑,每處理3次重復,取平均值繪制抑制生長曲線。

1. 2. 8 拮抗菌株對病菌孢子萌發的影響 將炭疽病菌在PDA培養基上培養7 d,用無菌水沖洗其菌絲體,配制成106個/mL孢子懸浮液。將拮抗菌株的無菌發酵液(制備方法同1.2.4)稀釋0、10、50和100倍后,分別與病菌孢子懸浮液以1∶1混合,采用懸滴法(方中達,1998)將混合液加入單凹載玻片中,25 ℃培養48 h后,利用血球計數板統計分生孢子數,以炭疽病菌孢子懸浮液為對照,計算分生孢子萌發抑制率。孢子萌發率(%)=孢子萌發的數量/總孢子數量×100;孢子萌發抑制率(%)=(對照孢子萌發率-處理孢子萌發率)/對照孢子萌發率×100。

1. 3 統計分析

試驗數據采用SPSS 19.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA),選用LSD和Duncan’s新復極差法進行組間的多重比較。

2 結果與分析

2. 1 拮抗真菌的分離與篩選結果

從腫節風健康植株的根系土壤中共分離得到23株真菌,其中來源于靖西13株、都安10株。抑制率<50.00%的有12株;抑制率為50.00%~80.00%的有8株;抑制率>80.00%的有3株,分別為JT-8、JT-3和DT-5,其中菌株JT-8對炭疽病菌的拮抗作用最明顯,抑制率達91.57%,菌株DT-5的抑制率最低,為80.72%,但三者對炭疽病菌的抑制率間無顯著差異(P>0.05,下同)(表1,圖1)。

2. 2 拮抗菌株JT-8、JT-3和DT-5的抑菌譜分析結果

由表2可知,菌株JT-8、JT-3和DT-5對14種病原真菌的平均抑制率分別為89.88%、88.65%和82.85%,其中菌株JT-8對香蕉葉斑病、香蕉炭疽病、羅漢果葉斑病、三七黑斑病、三七炭疽病、三七根腐病、艾納香褐斑病和苦玄參葉斑病病原菌均具有較強的抑制作用,抑制率均達90.00%以上,對其余供試病原真菌的抑制率也在80.00%以上,對14種病原真菌的抑制率差異不顯著;菌株JT-3對香蕉葉斑病、香蕉炭疽病、艾納香褐斑病、西瓜枯萎病、苦玄參葉斑病、三七黑斑病和三七根腐病病原菌均具有較強的抑制作用,抑制率均達90.00%以上,對廣西莪術葉斑病病原菌的抑制作用最弱,抑制率為74.31%;菌株DT-5對香蕉葉斑病、羅漢果葉斑病、三七炭疽病和三七根腐病病原菌均具有較強的抑制作用,抑制率均達90.00%以上,對豆蔻葉斑病病原菌的抑制作用較差,抑制率只有47.06%,顯著低于除對香蕉枯萎病外的其他病原菌的抑制率(P<0.05,下同)。綜上所述,3種拮抗真菌中以菌株JT-8的抑菌譜最廣。

2. 3 拮抗真菌產酶能力測定結果

取菌株JT-8、DT-5和JT-3的無菌發酵液檢測蛋白酶、纖維素酶和幾丁質酶含量,結果(表3)表明,3種拮抗真菌的蛋白酶含量排序為JT-3>JT-8>DT-5;纖維素酶含量排序為JT-8>JT-3>DT-5;幾丁質酶含量排序為JT-8>JT-3>DT-5。蛋白酶、纖維素酶和幾丁質酶是真菌細胞壁主要的水解酶(孫虎等,2011;劉愛榮等,2012),推測3株拮抗真菌可通過產生細胞壁水解酶對致病菌產生抑制作用。綜合考慮3株菌株與病原菌平板對峙培養結果、抑菌譜及代謝產物中細胞壁水解酶含量,選取綜合效果最佳的菌株JT-8進一步研究。

2. 4 拮抗菌株JT-8鑒定結果

2. 4. 1 形態鑒定 菌株JT-8在PDA培養基上初期菌落呈白色,后期呈紫色;菌絲生長緩慢,分生孢子圓形,大小為(1.4~2.5)μm×(1.2~2.6)μm,無色,分生孢子梗直立,頂端存在一次或多次掃帚狀分枝,分枝頂端產生瓶狀小梗,其上著生成串的分生孢子(圖2)。

2. 4. 2 分子生物學鑒定 對拮抗菌株JT-8的ITS rDNA序列進行測定并構建系統發育進化樹,結果(圖3)顯示,菌株JT-8與Purpureocillium lilacinum (KC790527和KX641490)聚在同一分支,相似度達100%。因此,將JT-8鑒定為淡紫紫孢菌(P. lilacinum)。將菌株JT-8的ITS rDNA序列提交至GenBank數據庫,獲得的登錄號為MK377152。

2. 5 拮抗菌株JT-8的作用機理

2. 5. 1 拮抗菌株JT-8對炭疽病菌菌絲形態的影響

分別挑取1.2.2中對照組和處理組(與菌株JT-8對峙培養)的炭疽病菌菌絲在光學顯微鏡下觀察,發現處理組的菌絲體畸形,菌絲體扭曲、斷裂、分支纏繞,部分菌絲顏色深,菌絲體膨大,透明度增加,分生孢子梗畸變,孢子數量明顯減少(圖4)。

2. 5. 2 拮抗菌株JT-8發酵液對病原菌孢子萌發的影響 由表4可知,隨著菌株JT-8發酵濾液稀釋倍數的增加,對炭疽菌孢子萌發的抑制率越低,其中以原液對病原菌孢子萌發的抑制率最高,達94.88%,顯著高于除10倍稀釋液外的其他處理,對應的炭疽菌孢子不萌發;對照的病原菌孢子萌發率最高,達94.88%,顯著高于菌株JT-8發酵液處理;10~100倍稀釋液處理對病原菌孢子萌發的抑制率為73.41%~89.41%,對應的炭疽菌孢子萌發率為10.05%~25.23%,各處理間孢子萌發率差異顯著。結果表明,拮抗菌株JT-8發酵濾液原液對腫節風炭疽病菌孢子萌發的抑制作用最強,其次是10和50倍稀釋液,100倍稀釋液的抑制作用最弱。

2. 5. 3 拮抗菌株JT-8對炭疽病菌菌絲的抑制生長曲線 由圖5可看出,對照組炭疽病菌菌落直徑隨著培養時間的延長而增加,最終長滿整個平板(9.0 cm);在培養初期,處理組炭疽病菌菌落直徑隨著培養時間的延長而增加,至5 d后菌落不再生長,菌落直徑僅為3.5 cm。表明拮抗菌株JT-8對腫節風炭疽病菌具有明顯的抑制作用。

3 討論

淡紫紫孢菌原名淡紫擬青霉(Paecilomyces lilacinus)(Luangsaard et al.,2011),原屬于擬青霉屬,現獨立為一個新屬,是一種土壤習居性植物線蟲卵寄生真菌,產孢量大,具有抑菌防病防蟲等功能,且具有抑菌廣譜性,對開發生物農藥和制劑具有潛在的應用價值。本研究從炭疽病盛行的腫節風主產區廣西靖西市和都安縣健康腫節風根系土壤中篩選出具有強拮抗活性的菌株JT-8,經形態觀察和ITS鑒定為淡紫紫孢菌,該菌對腫節風炭疽病菌和14種其他植物病害致病菌均具有較強的抑制作用,與郝澤婷等(2018)、肖支葉等(2018)、袁和奇等(2018)的研究結果一致。此外,淡紫紫孢菌對植物寄生線蟲、蚜蟲、紅蜘蛛、溫室粉虱、柑橘木虱和切葉蟻等也有很好的防治作用;同時,淡紫擬青霉對動物寄生蟲、人畜共患寄生蟲等均有防治效果(張家家等,2014;楊波等,2016;上官亦卿等,2018;楊凡等,2018)。杜丹超等(2015)從柑橘木虱中分離出一株對柑橘木虱具有強致病性的菌株ZJPL08,經鑒定菌株ZJPL08為淡紫紫孢菌;在ZJPL08孢子懸浮液相同濃度條件下,接種后培養時間越長,柑橘木虱的死亡率越高;培養時間相同的條件下,ZJPL08孢子懸浮液濃度越高,柑橘木虱的死亡率越高。至于本研究篩選出的菌株JT-8對植物害蟲的防治效果如何還有待進一步研究證實。

本研究對淡紫紫孢菌的產酶能力進行測定,發現可產生幾丁質酶、纖維素酶和蛋白酶類抗菌活性物質,這些活性物質均屬于抗菌肽,可單獨或與細胞壁降解酶協同抑制病原菌的生長(孫虎等,2011;劉愛榮等,2012;王婧等,2018)。淡紫紫孢菌產生的幾丁質酶和絲氨酸蛋白酶能降解線蟲表皮的蛋白質和幾丁質組成成分,利于侵入并破壞細胞成分;淡紫紫孢菌可內生于植物,產生效應物對其他真菌產生拮抗作用;淡紫紫孢菌可定殖于植物根際,產生次級代謝產物,對真菌、線蟲等產生抑殺作用(孫虎等,2011)。細胞壁溶解酶是一種復合型的水解酶,可水解真菌的細胞壁,抑制病原菌生長,達到抗菌防病的目的。本研究在室內測定了分離篩選到的淡紫紫孢菌對病原菌的拮抗作用、抗菌活性物質種類及含量,其在田間的防病效果如何還需進一步通過田間試驗驗證。

4 結論

淡紫紫孢菌對腫節風炭疽病病原菌具有強拮抗作用,能產生多種抗菌活性物質,且廣譜抑菌,具有較好的生防開發潛能。

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(責任編輯 麻小燕)

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