韓永琴 陳新建 羅路云



摘要 多黏類芽胞桿菌對辣椒疫病有較好的防治效果, 本文重點研究了其對辣椒根際細菌微生物的影響。收集了109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP、25%嘧菌酯SC、68%精甲霜·錳鋅WG及對照處理后的辣椒根際細菌, 通過高通量測序分析了根際細菌種群多樣性和群落結(jié)構(gòu)。多黏類芽胞桿菌處理后的辣椒根際細菌多樣性最高, 化學(xué)藥劑處理后的辣椒根際細菌多樣性也均高于對照。通過分析高通量測序結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)辣椒根際細菌包括變形菌門Proteobacteria、奇古菌門Thaumarchaeota、酸桿菌門Acidobacteria、綠彎菌門Chloroflexi、放線菌門Actinobacteria等13個門。變形菌門的豐度在對照(JD)中高達70.65%, 而在嘧菌酯(JA)、精甲霜·錳鋅(JB)和多黏類芽胞桿菌(JC)的處理中分別降至24.41%、25.64%和34.95%, 但仍然是各處理的優(yōu)勢菌群。在化學(xué)藥劑和多黏類芽胞桿菌的3種處理中酸桿菌門和綠彎菌門菌群的豐度遠高于對照, 特別是奇古菌門菌在化學(xué)藥劑處理中的豐度極顯著高于多黏類芽胞桿菌和對照處理。經(jīng)多黏類芽胞桿菌處理后發(fā)現(xiàn)芽單胞菌門和芽單胞菌屬遠高于對照, 分別為7.35%(JC)、0.11%(JD)。研究結(jié)果表明: 施用多黏類芽胞桿菌不僅可以有效防治辣椒疫病, 還可以改變辣椒根際土壤微生物區(qū)系, 提高土壤中細菌種群的多樣性。
關(guān)鍵詞 辣椒疫病; 多黏類芽胞桿菌; 微生物群落結(jié)構(gòu); 微生物多樣性
中圖分類號: S476 ? 文獻標(biāo)識碼: A ?DOI: 10.16688/j.zwbh.2018463
Abstract Bacillus polymyxa showed high activity in controlling pepper blight. The effect of the strain on bacterial microbes in the rhizosphere of pepper was studied. The rhizosphere bacteria of pepper treated by B. polymyxa 109 cfu/g WP, azoxystrobin 25% SC, metalaxyl-M· mancozeb 68% WG and the control were collected, and the diversity and community structure of the rhizosphere bacterial population were analyzed by Illumina Miseq sequencing technology. The diversity of rhizosphere bacteria of the pepper treated with B. polymyxa was the highest, and the diversity of rhizosphere bacteria of the pepper treated with chemical agents was also higher than that of the control. The bacterial populations included 13 phyla such as Proteobacteria, Thaumarchaeota, Acidobacteria, Chloroflexi and Actinobacteria. Proteobacteria was the most dominant phylum. The abundance of Proteobacteria was as high as 70.65% in the control (JD), but decreased in the treatments of azoxystrobin (JA), Metalaxyl-M mancozeb WG (JB) and B. polymyxa (JC), which was 24.41%, 25.64% and 34.95%, respectively. In the three treatments of chemical agent and B. polymyxa, the abundances of Acidobacteria and Chloroflexi were much higher than that of the control. In particular, the abundance of Thaumarchaeota in the treatment with chemical agent was extremely higher than that with B. polymyxa and the control. After treatment with B. polymyxa, the abundance of Gemmatimonadetes was 7.35% higher than that of the control. B. polymyxa as a biological pesticide can improve bacterial species abundance in plant rhizosphere soils and make a great contribution to the prevention of Phytophthora blight.
Key words pepper Phytophthora blight; ?Bacillus polymyxa; microbial community structure; microbial diversity
辣椒疫病是由辣椒疫霉菌Phytophthora capsici引起的土傳性病害[1], 該病害可造成辣椒成片死亡, 甚至絕收[2-3]。我國是辣椒生產(chǎn)大國[4], 辣椒疫病的發(fā)生, 嚴重影響了辣椒的產(chǎn)量及品質(zhì), 制約了經(jīng)濟的發(fā)展[5]。辣椒疫病的傳播途徑多樣, 在高溫高濕條件下暴發(fā)尤為嚴重, 傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑防治難以奏效, 使用多樣化的防治方法才能從根本上解決問題。結(jié)合目前國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn), 防治辣椒疫病的主要措施包括改良傳統(tǒng)的辣椒栽培方式[6-7];改良肥料、灌溉方式、栽培措施、種植結(jié)構(gòu)等以提升辣椒的抗病性, 抑制病原菌的傳播繁殖, 促進辣椒的生長, 以達到減少或推遲病害發(fā)生的目的。
相對于傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑防治, 生物防治可以有效地控制辣椒疫病的發(fā)生[8], 并且污染小甚至無污染, 具有廣闊的發(fā)展前景。目前已知部分真菌[9-10]、細菌[11-12]、放線菌[13-14]及植物提取物[15]等對辣椒疫病具有有效的拮抗作用。微生物農(nóng)藥是生物防治的主力軍, 隨著我國科研水平的不斷發(fā)展, 越來越多的微生物農(nóng)藥被應(yīng)用于防治辣椒疫病。本研究的多黏類芽胞桿菌Bacillus polymyxa是一種產(chǎn)芽胞的G+細菌, 對人或動物沒有致病性并可以產(chǎn)生多肽抗生素、拮抗蛋白、酶、絮凝劑、植物激素等多種活性物質(zhì), 既有生物農(nóng)藥又有生物菌肥的功效, 已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[16]、工礦業(yè)[17]、廢水處理[18]等多方面。文鳳云等通過篩選獲得的一株具有廣譜抗菌活性的多黏類芽胞桿菌Dw-6[19]。伍明俊等發(fā)現(xiàn),多黏類芽胞桿菌JW-725菌株的發(fā)酵液具有很強的抗真菌活性[20]。周華強等采用加熱法從多黏類芽胞桿菌LM-3菌株的發(fā)酵液中純化到一個極端噬熱多肽(APPLM3), 它對稻瘟病菌表現(xiàn)出很強的拮抗活性[21]。以上研究表明多黏類芽胞桿菌能分泌大量的活性物質(zhì), 對許多細菌和真菌有抑制活性, 可以提高植物的抗病能力,促進生長,提高產(chǎn)量, 是行之有效的生防菌。
土壤微生物與作物之間存在著相互作用, 根際土壤中的微生物受到根系的影響在數(shù)量、種類方面均有不同, 反之根系的生長發(fā)育也會受到根際土壤微生物的影響。本文通過對辣椒根際土壤微生物的16S rDNA進行測序, 探究多黏類芽胞桿菌對辣椒疫病的防治效果以及多黏類芽胞桿菌對辣椒根際細菌的影響, 有助于明確根部病害與微生物生態(tài)的關(guān)系, 為進一步研究多黏類芽胞桿菌對辣椒疫病的抗病機制提供新的研究思路。
1 材料與方法
1.1 供試材料
供試辣椒品種為‘湘研15。供試藥劑: 25%嘧菌酯懸浮劑由江蘇龍燈化學(xué)有限公司提供,109 cfu/g多黏類芽胞桿菌可濕性粉劑由浙江省桐廬匯豐生化化工有限公司提供,68%精甲霜·錳鋅水分散粒劑由先正達(中國)投資有限公司生產(chǎn)。
1.2 試驗方法
1.2.1 試驗地點
試驗于2017年5-9月在湖南省長沙市長沙縣廊梨鎮(zhèn)花園村進行, 試驗田常年種植辣椒,且辣椒疫病發(fā)生嚴重,平均發(fā)病率高達50%以上。
1.2.2 試驗設(shè)計
試驗共設(shè)置4個處理: 25%嘧菌酯SC、68%精甲霜·錳鋅WG、109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP和對照(CK)。每處理4次重復(fù), 共計16個小區(qū), 每小區(qū)種植辣椒60株, 完全隨機區(qū)組排列, 試驗小區(qū)面積為24 m2,日常澆水量每株約為300 mL且各處理不施肥。各處理用藥量:25%嘧菌酯SC 60 mL/667 m2, 68%精甲霜·錳鋅WG 110 g/667 m2,109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP 560 g/667 m2。
2017年5月13日辣椒(苗期)定植后采用灌根法施藥,每株澆藥液約300 mL, 藥劑濃度:25%嘧菌酯SC 0.12 mL/L,68%精甲霜·錳鋅WG 0.22 g/L,109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP 1.12 g/L。6月20日上午采集辣椒(始花期)根際土壤樣品, 每處理4次重復(fù)使用五點取樣法隨機選取采樣點,將辣椒整株鏟起,利用抖土法采集根際土樣, 混勻, 放入無菌自封袋中, 放置在冷藏箱中, 立即帶回實驗室, 放入-80℃冰箱保存。
1.3 樣品處理
以FastDNA SPIN Kit for soil試劑盒(MP Biomedicals, 美國), 提取樣品總DNA。使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測土壤樣品總DNA, 樣品濃度和純度采用NanoDrop 2000 (Thermo Scientific, 美國)測定, 純度A260/A280值在1.8~2.0之間, -20℃冰箱保存。以樣品DNA為模板, 利用細菌16S rDNA基因的通用引物515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)PCR擴增V4區(qū)。反應(yīng)體系等參考文獻[22],PCR純化產(chǎn)物送至安諾優(yōu)達公司進行后續(xù)高通量測序。
1.4 病害調(diào)查
施藥后每日觀察辣椒疫病的發(fā)病情況,觀察葉片是否有明顯病斑或植株是否猝倒, 15 d后對辣椒疫病進行病害調(diào)查并分級, 計算發(fā)病率和病情指數(shù)[23]。
每小區(qū)隨機調(diào)查5個點,每點調(diào)查5株,記錄病株數(shù)、死株數(shù)或明顯枯萎的植株數(shù)。調(diào)查時,發(fā)病程度分級標(biāo)準 (按癥狀類型分級,以每株辣椒葉片為計量單位)如下,0級:健康無癥;1級:地上部僅葉、果有病斑;3級:地上莖、枝有褐腐斑;5級:莖基部有褐腐斑;7級:地上莖、枝與莖基部均有褐腐斑,并且部分枝條枯死;9級:全株枯死。
病情指數(shù)=[∑(各級病株數(shù)×相對級數(shù)值)/(調(diào)查總株數(shù)×最高級數(shù)值)]×100;
相對防效=(空白對照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/空白對照病情指數(shù)×100%。
1.5 數(shù)據(jù)分析
通過Galaxy平臺及其集成軟件(http:∥rccc.ou.edu)完成對數(shù)據(jù)的原始分析。用FLASH程序(version 1.0.0)[24]對所有序列進行拼接, 通過bracode標(biāo)記將序列分配到單獨樣品中。采用U-chime(version USEARCH 5.2.3)[25]去除嵌合序列。用UPARSE[26]程序劃分OTU, 在序列相似度水平97%下對序列進行整合。通過RPD-Classifer軟件完成樣品序列的分類注釋, 置信度參數(shù)設(shè)為50%。一般認為遺傳距離小于3%的序列對應(yīng)微生物屬于同一物種。用Mothur軟件構(gòu)建稀釋曲線評估各樣品間的測序強度的差異。通過Chao1、香農(nóng)指數(shù)多樣性(Shannon index)、辛普森指數(shù)多樣性(Simpson index)評估序列文庫的多樣性。通過非參數(shù)檢驗方法Adonis以及PCoA等分析不同處理間辣椒根際細菌群落結(jié)構(gòu)的差異性。
2 結(jié)果與分析
2.1 病情指數(shù)及防治效果
在常年多發(fā)辣椒疫病的土壤條件下, 68%精甲霜·錳鋅WG 110 g/667 m2對辣椒疫病的田間防治效果最好,為76.3%, 其次是109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP 560 g/667 m2, 最后是25%嘧菌酯SC 60 mL/667 m2,后2種藥劑防效分別為74.35%和71.54%,三者差異不顯著(表1)。68%精甲霜·錳鋅WG與109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP防治效果相差較小, 這說明多黏類芽胞桿菌已經(jīng)達到與化學(xué)農(nóng)藥同等的效果,對此進行了進一步的分析。
2.2 高通量測序數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果
本研究通過高通量測序, 經(jīng)過Galaxy網(wǎng)站處理得到有效測序數(shù)據(jù), 在序列相似度97%水平下劃分OTU, 共得到734 242個OTU。如圖1所示, 各樣品的稀釋曲線已經(jīng)趨于平緩, 即樣本的OTU的覆蓋度已基本飽和, 基本表明測序深度已經(jīng)包含樣品中所有物種, 測序數(shù)據(jù)量達到反應(yīng)樣品中物種多樣性的需求。
2.3 α多樣性分析
α多樣性指數(shù)分析是指對單個樣品中物種的多樣性進行分析。豐富度指數(shù)Chao1反映了樣品的豐富程度, 數(shù)值越高代表群落中物種的多樣性越高。Shannon和Simpson指數(shù), 二者同樣反映樣品的多樣性程度,Shannon數(shù)值越高表示群落中物種的多樣性越高,Simpson指數(shù)相反,數(shù)值越低說明群落中物種多樣性越高,Inv_Simpson指數(shù)則同Shannon指數(shù)一樣數(shù)值越高表示群落中物種的多樣性越高。如表2所示, 多黏類芽胞桿菌(560 g/667 m2)處理下辣椒根際Chao1最高, 變化范圍為3 517~3 604.8。根據(jù)圖1可知, 經(jīng)過多黏類芽胞桿菌處理后,樣品的物種多樣性高于其他3個處理。同時樣品的Shannon、Inv_Simpson指數(shù)大小分別為多黏類芽胞桿菌(560 g/667 m2)>68%精甲霜·錳鋅WG(110 g/667 m2)>25%嘧菌酯SC(60 mL/667 m2)>空白對照, 表明多黏類芽胞桿菌(560 g/667 m2)處理后群落中物種的多樣性最高,且顯著高于對照組。病情指數(shù)和α多樣性相關(guān)性結(jié)果表明,病情指數(shù)與細菌α多樣性呈顯著負相關(guān)(表3)。
2.4 β多樣性分析
β多樣性是指利用各樣本序列間的進化關(guān)系及豐度信息來計算樣本間的距離,反映樣本(組)間是否具有顯著的微生物群落差異。
PCoA結(jié)果(圖2)表明空白對照所處象限為單獨象限, 說明對照組中微生物種群結(jié)構(gòu)與其他3組差異顯著; 25%嘧菌酯SC(60 mL/667 m2)與68%精甲霜·錳鋅WG(110 g/667 m2)兩組處理之間相距較近, 表明這兩組處理之間種群結(jié)構(gòu)差異相對較小; 109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP(560 g/667 m2)處理與其他組處理有明顯的分離現(xiàn)象, 表明109 cfu/g多黏類芽胞桿菌WP(560 g/667 m2)與25%嘧菌酯SC(60 mL/667 m2)、68%精甲霜·錳鋅WG(110 g/667 m2)、空白對照3組種群結(jié)構(gòu)有較大差異。
多重響應(yīng)置換程序(MRPP)、Adonis分析結(jié)果(表4)表明, 在不同處理辣椒根際土壤中細菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著(P <0.05), 與上述PCoA分析結(jié)果一致。
2.5 高通量測序分析土壤菌落結(jié)構(gòu)
通過RDP-Classifier軟件對各樣品在門分類水平上進行序列鑒定分析, 共得到13個門, 主要包括變形菌門Proteobacteria、奇古菌門Thaumarchaeota、酸桿菌門Acidobacteria、綠彎菌門Chloroflexi、放線菌門Actinobacteria等。變形菌門Proteobacteria在4組樣品數(shù)據(jù)中相對豐度最高, 在樣品中相對豐度分別為70.65%(JD)、34.95%(JC)、25.64%(JB)和24.42%(JA), 在JD組中變形菌門相對豐度遠高于其他處理(圖3)。酸桿菌門Acidobacteria在4組處理中相對豐度分別為19.53%(JA)、16.98%(JB)、12.28%(JC)、0.42%(JD); 綠彎菌門Chloroflexi在4組處理中相對豐度分別為7.70%(JC)、7.38%(JA)、7.13%(JB)、0.92%(JD), 酸桿菌門與綠彎菌門在JD組不屬于優(yōu)勢種群, 而在其他3組則屬于優(yōu)勢種群(表5)。奇古菌門Thaumarchaeota在4組樣品中的相對豐度分別為16.10%(JA)、10.28%(JB)、2.68%(JC)、1.17%(JD), JC組與JD組差異不顯著但與JA、JB組差異顯著(表5)。放線菌門Actinobacteria的相對豐度在4組樣品中分別為13.07%(JD)、11.46%(JC)、7.10%(JA)、4.72%(JB), 放線菌在JA與JB組之間相差較小, JC與JD組間差異較小, 但JB與JD兩組間差異顯著(表5)。
在屬水平上(OTU相對豐度大于1.5%),亞硝基念珠菌Candidatus Nitrosotalea在JA組和JB組相對豐度分別達到12.04%(JA)和8.91%(JB),而在其他2組的相對豐度分別為1.06%(JC)、0.01%(JD),相對豐度遠高于其他2組處理(表 6)。未培養(yǎng)的森林土壤細菌uncultured forest soil bacterium在4組中的相對豐度分別為10.06%(JA)、6.84%(JB)、6.27%(JC)、0%(JD),表明其在JD組中不屬于優(yōu)勢地位, 而在其他3組中屬于優(yōu)勢地位(表6)。芽單胞菌屬Gemmatimonas在JC組中屬于優(yōu)勢地位,相對豐度為1.76% (JC),在JA組和JB組的相對豐度分別為1.21%(JA)、1.54%(JB),而在JD組中的相對豐度為0.04%,表明其在JD組中不屬于優(yōu)勢地位(表6)。
3 討論
本試驗中同一處理下樣品之間差異較小, 經(jīng)β多樣性分析可知在相同處理下的各樣品間相似性明顯大于不同處理之間的微生物群落結(jié)構(gòu)的相似性, 這表明該數(shù)據(jù)具有可信性, 分析結(jié)果正常合理。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn), 在多黏類芽胞桿菌處理后的辣椒根際微生物群落的Chao1指數(shù)以及Shannon指數(shù)均高于其他三種處理, 結(jié)果表明多黏類芽胞桿菌處理后辣椒根際微生物群落和生物多樣性明顯提高, 基本符合Setl與Mc Lean[27]所闡述的生物多樣性越高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性越高的理論, 這有助于進一步研究多黏類芽胞桿菌對辣椒疫病的抗病機制。
本研究對4組不同處理下辣椒根際土壤進行了菌群結(jié)構(gòu)多樣性分析, 高通量測序結(jié)果共鑒定到13個門, 主要包括變形菌門Proteobacteria、奇古菌門Thaumarchaeota、酸桿菌門Acidobacteria、綠彎菌門Chloroflexi、放線菌門Actinobacteria等, 其中優(yōu)勢種群為Proteobacteria (38.91%)、Acidobacteria(12.30%)、Actinobacteria(9.08%)。Fierer和Jackson[28]的研究發(fā)現(xiàn)此三類菌群在所有的生物群中均占優(yōu)勢地位, 與本試驗具有一致性, 但是在相對豐度上存在一定的差異。
我們進行了多黏類芽胞桿菌與化學(xué)藥劑68%精甲霜·錳鋅WG、 25%嘧菌酯SC對辣椒疫病防治效果的調(diào)查, 結(jié)果表明多黏類芽胞桿菌(560 g/667 m2)對辣椒疫病的防治效果顯著(表1)。伍明俊[20]、姚烏蘭[29]、王光華[30]等研究發(fā)現(xiàn)多黏類芽胞桿菌篩選出的菌株具有很強的抗真菌活性。岑浴[31]研究表明多黏類芽胞桿菌的施用可以引起部分綠彎菌門Chloroflexi群落的增加。汪濤等[32]研究了多黏類芽胞桿菌對辣椒疫霉的防治效果, 但未對發(fā)病植株根際土壤微生物進行多樣性分析, 沒有涉及種群結(jié)構(gòu)的研究。
研究發(fā)現(xiàn), 經(jīng)化學(xué)藥劑68%精甲霜·錳鋅WG、25%嘧菌酯SC處理后的辣椒根際微生物多樣性都有所提高, 其原因可能是這兩種藥劑與辣椒根際微生物種群之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系(如競爭、偏利、偏害等), 也可能是這兩種藥劑在一定程度上改變了辣椒根際微生物群落中原有的種群關(guān)系, 導(dǎo)致其中某些細菌種群有所降低,從而使辣椒根際微生物種群多樣性增加。
試驗運用高通量測序技術(shù)對樣品進行了微生物種群多樣性分析, 有助于探明多黏類芽胞桿菌對辣椒疫病微生態(tài)的影響, 本試驗初步研究了多黏類芽胞桿菌對辣椒疫霉的防治效果及辣椒根際微生物結(jié)構(gòu)變化, 但是具體機制以及原理仍未明確, 有待進一步研究。
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(責(zé)任編輯: 田 喆)