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海南青枯病抗、感桑品種根際土壤真菌群落多樣性分析

2021-01-13 05:05:15涂娜娜武華周婁德釗盧芙萍耿濤王樹昌
熱帶作物學報 2021年12期

涂娜娜 武華周 婁德釗 盧芙萍 耿濤 王樹昌

摘 ?要:通過比較青枯病抗、感桑品種根際土壤真菌群落結構與多樣性差異,分析根際真菌群落與桑樹青枯病抗性的相關性。采用Illumina Miseq高通量測序技術,對青枯病抗性桑品種‘抗青283’ב抗青10’和易感桑品種‘強桑1號’根際土壤真菌群落ITS1-ITS2區域進行擴增、測序,分析了2種桑品種根際真菌群落結構與多樣性。(1)‘抗青283’ב抗青10’根際優勢菌門主要為囊菌門(54.86%)、擔子菌門(24.67%)、接合菌門(3.17%),優勢菌屬主要為淡紫擬青霉屬(5.71%)、鐮孢菌屬(5.43%)、旋孢腔菌屬(1.29%);‘強桑1號’根際優勢菌門主要為囊菌門(68.04%)、擔子菌門(15.12%)、接合菌門(1.90%),優勢菌屬主要為腐質霉屬(8.46%)、鐮孢菌屬(5.44%)、旋孢腔菌屬(2.22%)。(2)抗性品種根際土壤中起重要作用的真菌群落為:海殼科、小皮傘科、球囊霉目_f_uncultured,而易感品種根際土壤中起重要作用的真菌群落為:毛孢殼目、赤殼科、干朽菌科、Cantharellales-fam-incertae-sedis。(3)抗性品種根際檢測到淡紫擬青霉屬和叢枝菌根真菌球霉菌目均為廣泛應用的生防菌,推測與其抗性有直接關系。雖然2種桑品種根際土壤優勢真菌群落豐度無顯著差異,但抗性品種根際檢測到豐度更高的淡紫擬青霉屬和叢枝菌根球霉菌目,可能與其抗性有關。該研究結果為海南桑青枯病拮抗真菌的篩選與防控技術的研究奠定了基礎。

關鍵詞:桑樹;根際土壤;真菌群落;多樣性;生物防治

中圖分類號:S154.3;S888.71 ? ? ?文獻標識碼:A

Abstract: The structure and diversity of fungi communities in mulberry rhizosphere soil were analyzed to indicate the correlation with resistance and susceptibility to bacterial wilt. The ITS1-ITS2 region of fungi were amplified and se-quenced to analyze the structure and diversity of fungi communities in resistant mulberry variety ‘Kangqing 283’ × ‘Kangqing 10’ and susceptible mulberry variety Qiangsang 1 by Illumina miseq high-throughput sequencing technology. The dominant phylum of ‘Kangqing 283’ × ‘Kangqing 10’ were Cystophyta (54.86%), Basidiomycota (24.67%) and Zygomycota (3.17%), while the dominant genus Paecilomyces (5.71%), Fusarium (5.43%) and Cochilobolus (1.29%). The dominant phylum in ‘Qiangsang 1’ were Cystophyta (68.04%), Basidiomycota (15.12%) and Zygomycota (1.90%), while the dominant genus Pythium (8.46%), Fusarium (5.44%) and Cochilobolus (2.22%). The most important fungi communities in the rhizosphere soil of resistant varieties were Conchochaetales, Crustaceaceae and uncultured families of Angiosporaceae, while Coniochaetales, Crustaceaceae, Serpulaceae and Cantharellales-fam-incertae-sedis in the sensitive varieties. Paecilomyces and arbuscular mycorrhizal fungi Coccidiales are widely used as the biocontrol fungi, which were found as the dominant fungi in the rhizosphere soil of resistant varieties and might be directly related to the resistance. Although there were no significant differences in the fungi communities abundance of the two mulberry varieties, the dominant fungi such as Penicillium and arbuscular mycorrhizal Angiocystidea detected in the resistant varieties were closely related with its resistance. The results yield insights to screen antagonistic fungi and effective control methods against mulberry bacterial wilt in Hainan province.

Keywords: mulberry; rhizosphere soil; fungi community; diversity; biological control

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.038

土壤為植物的生長提供必需的營養元素和水分,是植物健康生長生存的基礎,植物在生長過程中通過根系分泌物也向土壤中釋放各種有機和無機物質,對土壤微生物種群多樣性、數量和分布有很大的影響[1]。土壤微生物組成的多樣性和種群功能是衡量植物健康生長與否的重要指標[2],土壤微生物可通過與病原菌進行競爭、拮抗等作用抑制病原菌的生長防止作物病害的發生,微生物群落結構豐富度及多樣性越高,在對抗病原菌時發揮的作用就越明顯[3]。但是,土壤微生物也可通過積累大量的病原菌導致植株染病死亡[4],許多土傳病害的發生與微生物有非常密切的關系。王茹華等[5]研究表明,植物對土傳病害表現出的抗性與根際真菌有密切關系;劉先良[6]、董朝霞等[7]研究發現接種叢枝菌根真菌能提高植株對青枯病的抗性并能促進植株生長;龔云麗等[8]研究發現叢枝菌根真菌對青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)有抑制作用;張深[9]通過平板拮抗實驗篩選出的15株對煙草青枯病有抑制作用的菌株中,分泌抗菌活性物質最強的2株均為真菌菌株;董夏偉[10]用濾紙法從59株真菌中分離出2種對煙草青枯病菌有較好抑制作用的拮抗真菌煙曲霉(Aspergillus fumigatus)和淺黃新薩托菌(Neosartorya aureola),抑菌圈直徑分別為10 mm和9.5 mm,經過反復拮抗試驗表明抑菌圈直徑無明顯差異;黎起秦等[11]篩選到5株經鑒定對西瓜枯萎病、番茄青枯病有抑制活性的康氏木霉菌,且在人工接種條件下仍有防效。

桑青枯病是華南地區桑園的毀滅性土傳病害[12-13],在海南連作桑園的發病率高達85%以上,嚴重影響蠶桑生產,造成巨大損失,已成為海南桑產業發展的主要制約因素,亟待研究解決熱區桑青枯病綠色高效防控技術。本研究以海南省瓊中縣主載桑樹抗性品種‘抗青283’ב抗青10’(QZ1K)和易感桑品種‘強桑1號’(QZ1Q)為研究對象,從桑樹根際土壤微生態角度出發,通過高通量測序技術對抗、感桑樹根際土壤真菌群落多樣性及分布規律等進行分析,旨在探究不同抗性桑樹品種根際土壤真菌的物種組成和差異,分析真菌群落多樣性與桑樹抗、感青枯病之間的關系,為今后海南省桑青枯病拮抗真菌的篩選與有效利用奠定基礎。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

2019年7月在瓊中紅毛鎮牙挽農場采集桑樹土壤樣品,土質為砂礫土。采樣點信息:19°00′10″ N,109°38′46″ E,海拔368 m,pH 5.93,有機質0.4279 g/kg,土壤有機質58.12 g/kg、電導率205 uS/cm、鹽分115 g/kg、總懸浮物(TSS)100 mg/L,全鉀865.34 g/kg,全磷19 496.83 g/kg。采用五點取樣法,隨機選取‘抗青283’ב抗青10’(QZ1K)和易感桑品種‘強桑1號’(QZ1Q)各5株,挖取植株地下10~20 cm根系,抖落較大塊土壤后,用軟毛刷刷取根表面0~5 mm的土壤于樣品袋中,混合均勻后分裝進4個5 mL凍存管中分別編號為QZ1K1~QZ1K4和QZ1Q1~ QZ1Q4,置于冰盒,–80 ℃冰箱保存備用。

1.2 ?方法

1.2.1 ?土壤根際樣品微生物DNA的提取 ?取充分混合后的土壤根際樣品0.5 g,采用QIAamp 96 PowerFecal QIAcube HTkit(13)試劑盒按照說明書提取根際土壤DNA,之后用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度。

1.2.2 ?基因擴增與測序 ?TaKaRa公司的Takara Ex Taq高保真酶進行PCR,利用ITS1-ITS2區域(引物ITS1F 5¢-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTA A-3¢和ITS2 5¢-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3¢)進行擴增[6]。PCR擴增體系:25 μL 2×Premix Taq(TakaraBiotechnology),引物各1 μL(10 mmol/L),DNA模板3 μL(20 ng/μL),加ddH2O溶解定容至50 μL。PCR反應程序:預變性94 ℃ 5 min;變性94 ℃ 30 s,退火52 ℃ 30 s,延伸72 ℃ 30 s,30個循環;延伸72 ℃ 10 min。采樣瓊脂糖電泳檢測,利用Qubit 2.0 DNA檢測試劑盒精確定量回收產物并進行測序。

1.3 ?數據處理

使用Trimmomatic(Version 0.35)軟件首先把原始數據(raw data)質量部分進行剪切,拼接繼而得到整條的paried end序列。使用QIIME的split-libraries(version1.8.0)軟件得到clean tags序列。去除非特異性序列和嵌合體,得到valid tags序列。對質控得到的質量較高的序列valid tags使用vsearch(version 2.4.2)軟件按照97%的相似度進行OTU(操作分類單元)分類,并選取每個OTU種豐度最大序列作為該OTU的代表序列,采用RDP classifier Native Bayesian分類算法對代表序列與數據進行對比注釋,得到OTU的注釋信息。使用BioVenn在線軟件進行Flower圖繪制;對2個樣本測序數據各取平均值后,使用Excel 2013和SPSS19.0軟件對相對豐度數據進行統計分析,繪制相對豐度柱狀圖;使用Qiime軟件觀測物種數、Chao1指數、Shannon指數、Simpson指數、PDwhole指數、Goods_coverage指數等多樣性指數,稀釋曲線圖用R軟件繪制。通過LDA對根際細菌群落進行LEFSE分析(LDA Score2.5)尋找不同樣地桑樹根際土壤真菌群落差異。用FUNGuild軟件對測序得到的2個樣本的OTU進行營養型類別分析。

2 ?結果與分析

2.1 ?OTU聚類分析

原始數據經過優化處理后共得到266 777條高質量序列,單一樣本序列數在24 264~40 473條之間。在97%的相似度水平上對2種桑樹的OTU進行聚類分析,得到2604個OTU,共分析鑒定出9個門、33個綱、96個目、184個科、319個屬、592個種。由圖1 QZ1K和QZ1Q根際土壤真菌群落OTU flower圖可知,QZ1K和QZ1Q根際土壤

真菌共有OTUs 107個,QZ1K根際土壤真菌特有OTUs分別為371、307、483、530個,分別占其總數的77.62%、74.15%、81.86%、83.2%;QZ1Q根際土壤真菌特有OTUs分別為382、550、342、455個,占其總數的78.12%、83.71%、76.17%、80.96%。

2.2 ?Alpha多樣性分析

Chao1指數和Observed-species指數反映樣本中物種的豐富度,其值越高代表群落物種越豐富。由圖2 Chao1指數和Observed-species指數稀釋曲線可知,真菌群落豐富度與測序的深度呈正相關,隨著測序深度的增加而增加,最后逐漸趨于平穩,說明測序深度已覆蓋樣品中的所有物種,測序合理。對QZ1K和QZ1Q樣本的Alpha多樣性進行統計分析(表1),各樣本間除Good-coverage指數外其余各指數均無顯著差異。

2.3 ?不同品種根際土壤真菌群落結構分析

2.3.1 ?門水平根際土壤真菌群落結構分析 ?由圖3可知,在門水平分類上,QZ1K和QZ1Q桑樹品種根際土壤中的真菌群落Others-Top30優勢菌門為:子囊菌門(Ascomycota)分別為54.86%和68.04%,擔子菌門(Basidiomycota)分別為24.67%和15.12%,接合菌門(Zygomycota)分別為3.17%和1.90%,球囊菌門(Glomeromycota)分別為2.92%和0.80%,壺菌門(Chytridiomycota)分別為1.12%和0.81%,其他類群分別為13.25%和13.30%。其中,根際土壤中擔子菌門(Basidiomycota)、接合菌門(Zygomycota)、球囊菌門(Glomeromycota)、壺菌門(Chytridiomycota)相對豐度QZ1K高于QZ1Q。

2.3.2 ?綱水平根際土壤真菌群落結構分析 ?由圖4可知,在綱水平分類上,QZ1K和QZ1Q桑樹品種根際土壤中的真菌群落組成Others-Top30優勢菌綱為:糞殼菌綱(Sordariomycetes)分別為27.68%和38.49%,座囊菌綱(Dothideomycetes)分別為18.95%和21.93%,傘菌綱(Agaricomy?cetes)分別為22.04%和11.35%,銀耳綱(Tremello?mycetes)分別為2.28%和3.29%,Mortierello?mycotina分別為2.90%和1.63%,散囊菌綱(Eurotiomycetes)分別為2.30%和1.24%,球囊菌綱(Glomeromycetes)分別為2.43%和0.75%,其他類群分別為18.08%和18.70%。其中根際土壤中銀耳綱(Tremellomycetes)、Mortierellomycotina、散囊菌綱(Eurotiomycetes)、球囊菌綱(Glomeromycetes)的相對豐度QZ1K高于QZ1Q。

2.3.3 ?屬水平根際土壤真菌群落結構分析 ?由圖5可知,在屬水平分類上,QZ1K和QZ1Q桑樹品種根際土壤中真菌群落組成Others-Top30主要為:鐮孢菌屬(Fusarium)分別5.43%和5.84%,腐質霉屬(Humicola)分別為0.46%和8.46%,淡紫擬青霉屬(Purpureocillium)分別為5.71%和0.01%,旋孢腔菌屬(Cochilobolus)分別為1.79%和2.22%,擬盤多毛孢屬(Pestalotiopsis)分別為1.72%和2.09%,Galerella分別為0.01%和3.21%,木霉屬(Trichoderma)分別為0.51%和1.39%,斜蓋傘屬(Clitopilus)分別為1.54%和0.32%,被孢霉屬(Mortierella)分別為0.78%和1.01%,漆斑菌屬(Myrothecium)分別為1.21%和0.36%,其他屬分別為76.92%和72.98%。其中,根際土壤中淡紫擬青霉屬(Purpureocillium)、斜蓋傘屬(Clitopilus)、被孢霉屬(Mortierella)的相對豐度QZ1K高于QZ1Q。

2.4 ?桑樹根際土壤優勢真菌差異分析

使用LEfSe分析抗性品種QZ1K和易感品種QZ1Q根際土壤中真菌群落的主要差異物種(LDA Score的預設值為2.5,小于2.5視為沒有差異)發現,抗性品種QZ1K根際土壤中小皮傘屬(Marasmius)、小皮傘科(Marasmiaceae)、海殼科(Halosphaeriaceae)、球囊霉目_f_uncultured、瓶霉屬(Phialophora)、球囊霉目_f_uncultured_g_ uncultured的相對豐度顯著高于易感品種QZ1Q,而赤殼科(Nectriaceae)、赤殼科_g_uncultured、Cantharellales-fam-incertae-sedis、Minimedusa、被孢霉科_g_uncultured、干朽菌科(Serpulaceae)、干腐菌屬(Serpula)、毛孢殼目(Coniochaetales)這幾類真菌群落在易感品種QZ1Q根際土壤中的相對豐度顯著高于抗性品種QZ1K(圖6A)。抗性品種QZ1K根際赤殼科LDA值最大,易感品種QZ1Q根際小皮傘屬LDA值最大,可見這2個真菌群落在抗性品種QZ1K和易感品種QZ1Q根際土壤中的差異最大。抗性品種QZ1K根際土壤中起重要作用的真菌群落為:海殼科、小皮傘科、球囊霉目_f_uncultured_,而易感品種QZ1Q根際土壤中起重要作用的真菌群落為:毛孢殼目(Coniochaetales)、赤殼科(Nectriaceae)、干朽菌科(Serpulaceae)、Cantharellales-fam-incertae- sedis(圖6B)。

2.5 ?真菌營養型分類

用FUNGuild軟件對抗性品種QZ1K和易感品種QZ1Q的OTU進行營養型類別分析,主要劃分為3類:病原營養型、腐生營養型和共生營養型。其中Highly Probable(1個)和Probable(98個)為病原營養型真菌共有99個,屬于植物病原菌的有74個,屬于動物病原菌的有8個;Highly Probable(19個)和Probable(227個)為腐生營養型共246個;Highly Probable(129個)和Probable(19個)為共生營養型共148個,屬于外生菌根真菌的有41個,屬于外生菌根真菌的有11個。進一步分類得到22個Guild(圖7),抗性品種‘抗青283’ב抗青10’根際真菌病原營養型真菌數量相對較多,而易感品種‘強桑1號’根際聚集了相對較多的腐生營養型和共生營養型真菌。

3 ?討論

根際真菌作為根際微生物的主要成員,其多樣性、活性、相互間的復雜性對植物的生長和抗性起決定性作用[14-15]。因此,對根際真菌群落的結構和多樣性分析在生產中具有重要意義。

本研究以海南省瓊中縣主栽桑樹抗性品種‘抗青283’ב抗青10’(QZ1K)和易感桑品種‘強桑1號’(QZ1Q)為研究對象,對其根際土壤真菌群落多樣性研究發現根際真菌群落多樣性差異未達到顯著水平,這可能與相近植被和氣候以及土壤條件下,真菌群落的組成具有較高的相似性有關[16]。在門水平,子囊菌門、擔子菌門、接合菌門、球囊菌門和壺菌門等為2個樣本根際土壤真菌的優勢菌門,分別占‘抗青283’ב抗青10’和‘強桑1號’根際真菌門整體的86.74%和86.67%,與王艷云等[17-20]的研究結果相似。在土壤根際真菌群落屬水平,優勢菌屬主要分布在鐮孢菌屬、腐質霉屬、淡紫擬青霉屬、旋孢腔菌屬、擬盤多毛孢屬等,但抗性和易感品種在各個屬豐度上存在不同,抗性品種‘抗青283’ב抗青10’根際真菌淡紫擬青霉屬、斜蓋傘屬、被孢霉屬的相對豐度均高于易感品種‘強桑1號’。淡紫擬青霉是被廣泛應用的一種生防菌,單獨或者結合藥劑使用都能增強植物的抗逆性[21-23],張雅靜等[24]研究表明,淡紫擬青霉菌株對黃瓜根腐病和根結線蟲病的防效高于同類商品菌株,張菁等[25]研究表明淡紫擬青霉屬可誘導番茄植物防御酶活性的提高進而抑制番茄霉灰病的發生。木霉能產生多種拮抗物質及水解酶能對很多病原因子產生抑制作用,是目前研究較多、應用廣泛的一種生防菌[26-28],‘抗青283’ב抗青10’和易感桑品種‘強桑1號’的根際土壤中均檢測到木霉菌,但抗性品種的木霉菌含量低于易感品種,具體原因將進一步探索。

進一步通過LDA Score進行LEfSe分析,發現抗、感青枯病桑樹品種的根際真菌群落的重要作用類群存在差異。海殼科、小皮傘科、球囊霉目_f_uncultured_是‘抗青283’ב抗青10’的重要真菌群落,研究表明球囊霉目屬于從枝菌根真菌[29],叢枝菌根真菌對多種作物病害具有防控作用[30-32],因此球囊菌目可能與桑樹對青枯病抗性有關。對于‘抗青283’ב抗青10’根際聚集的小皮傘科、海殼科、瓶霉屬是否與其抗性有關有待進一步探索。

對抗、感品種土壤根際真菌群落進行營養型分類結果發現,抗性品種‘抗青283’ב抗青10’根際真菌病原營養型真菌數量相對較多,而易感品種‘強桑1號’根際聚集了相對較多的腐生營養型和共生營養型真菌,這與李朋發等[33]研究鐮刀根腐病發病與未發病植株根際真菌的營養型組成有所不同。周峰等[34-35]在研究植物病原菌效應蛋白時發現,宿主植物的抗性基因產物若能與病原菌的無毒基因的效應產物產生不相容性,則植物不會發生病害,本研究中抗性品種‘抗青283’ב抗青10’基因產物與其根際病原菌是否存在這種互作關系,將是未來研究的方向之一。

本研究結果表明,2種抗桑青枯病桑樹根際土壤真菌群落優勢菌群豐度和多樣性無顯著差異,抗性品種根際檢測到可能與其抗性有關的淡紫尼青霉屬和叢枝菌根球霉菌目。研究結果將為海南桑青枯病拮抗真菌的篩選與有效利用奠定基礎。

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責任編輯:謝龍蓮

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