崔一平,彭埃天,凌金鋒,宋曉兵,程保平,陳 霞
(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所/廣東省植物保護新技術(shù)重點實驗室,廣東 廣州 510640)
【研究意義】甘蔗(Saccharum offi cinarumL.)是世界上重要的糖料作物及有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醋魑铮覈鞘澜缟献畲蟮母收嵘a(chǎn)國之一[1]。近些年來,我國蔗糖產(chǎn)量和食糖消費量已經(jīng)躍居世界第3 位[2]。在我國,甘蔗種植面積占糖料種植面積的85%以上,產(chǎn)糖量占食糖總產(chǎn)量的90%以上[3-5]。廣東省是繼廣西和云南之后的我國第三大蔗區(qū),90%左右的植蔗區(qū)位于粵西地區(qū),珠三角、粵北地區(qū)和粵東地區(qū)也有零星種植[6];其中粵西地區(qū)主要以種植糖蔗為主,粵東地區(qū)則以種植果蔗為主。甘蔗作為用蔗莖腋芽進行無性繁殖的作物,甘蔗種苗是傳播甘蔗病害的主要媒介。因此,及時科學(xué)診斷出新的甘蔗種傳病害并提出具體的防治藥劑,有利于增強甘蔗的種苗安全,對提高甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)有重大的研究意義。【前人研究進展】在我國,甘蔗上報道的病害如甘蔗黑穗病、甘蔗花葉病、甘蔗宿根矮化病、甘蔗黃葉綜合征和甘蔗鳳梨病等大約有50 多種,這些病害大多數(shù)都能夠通過種苗進行傳播[7-9]。同時,由于蔗區(qū)之間引種頻繁、蔗種相互調(diào)換,缺乏檢測,使得一些嚴(yán)重病害在甘蔗種植區(qū)造成了嚴(yán)重為害,如印度,赤腐病已經(jīng)對甘蔗產(chǎn)業(yè)造成了毀滅性的打擊[10]。近年來,越來越多的新病害在我國不同的蔗區(qū)被報道,如由Fusarium sacchari引起的甘蔗萎蔫病,F(xiàn)usarium commune引起的甘蔗根腐病,Alternaria tenuissima引起的甘蔗葉片白條病等等[11-13]。這些新病害的出現(xiàn)極大增加了甘蔗病害防治的難度,給不同種植區(qū)間甘蔗的引種增加了風(fēng)險。【本研究切入點】甘蔗黑斑霉葉條病為本課題組2016 年和2017 年在廣東省廣州市南沙區(qū)田間的黑皮果蔗上發(fā)現(xiàn),病害初期在甘蔗幼嫩葉片的葉緣上出現(xiàn)黃色到白色的條狀病斑,而后逐漸向葉片的中脈進行擴展;發(fā)展到后期嚴(yán)重的時候,從葉鞘外可看到粉色的水漬狀病斑,葉鞘的顏色由淡綠色變?yōu)榉凵=?jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),甘蔗黑斑霉葉條病在甘蔗的苗期到成株期均可發(fā)生危害;一旦環(huán)境合適,在苗期甘蔗黑斑霉葉條病可造成甘蔗植株的大面積干枯死亡;而在甘蔗生長的后期發(fā)病,則會造成甘蔗頂梢葉片的大量枯死,從而嚴(yán)重影響甘蔗的光合作用,造成甘蔗糖分積累的大量減少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究著重對引起甘蔗黑斑霉葉條病病原菌Nigrospora sphaerica進行分離鑒定,同時對其生長溫度、pH、檢測及化學(xué)藥劑防治進行研究和篩選。
供試植物:感病和健康的黑皮果蔗于2017年采集自廣州市南沙的甘蔗種植地(種植面積為5 153.3 hm2)。培養(yǎng)基:馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基(馬鈴薯200 g、葡萄糖20 g、瓊脂20 g、去離子水定容至1 000 mL)。
試劑及儀器:Axygen 動植物基因組DNA制備試劑盒,愛思進生物技術(shù)(杭州)有限公司;PCR 擴增試劑盒2×EasyTaq PCR SuperMix(-dye),北京全式金生物技術(shù)有限公司;研究中用到的引物合成及PCR 產(chǎn)物測序服務(wù)均購自上海生工生物工程有限公司;1 mol/L NaOH(4 g NaOH 加入到100 mL 水中),1 mol/L HCl(1 mL 37%濃鹽酸加入到11 mL 水中)。美國貝克曼Microfuge 20 微量離心機、T100TM PCR 儀及美國伯樂1704487 小型水平電泳槽均購自上海凌儀生物科技有限公司;生化培養(yǎng)箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;Leica DM2500 光學(xué)顯微鏡,德國Leica 公司。
化學(xué)藥劑:施保功(Sporgon),為丙氯靈prochloraz 和氯化錳復(fù)合制成的50%可濕性粉劑,德國先靈農(nóng)業(yè)化學(xué)有限公司獨立開發(fā)的咪唑類廣譜性殺菌劑,對子囊菌引起的各種作物病害有特效。苯醚甲環(huán)唑(Difenoconazole),別名世高,有多種劑型,內(nèi)吸性殺菌,具保護和治療作用,對很多作物上的真菌病害都有保護和治療作用。苯甲·福美雙,為苯醚甲環(huán)唑和福美雙進行有機配合制成的60%可濕性粉劑,由山東東泰農(nóng)化有限公司研發(fā)制成,對水稻、煙草和蔬菜等真菌性病害有特效。咪鮮胺(Prochloraz),是一種廣譜殺菌劑,需避光保存,是德國艾格福公司(現(xiàn)為拜耳公司)于1977 年開發(fā)的咪唑類廣譜性殺菌劑,對多種作物由子囊菌和半知菌引起的病害具有明顯的防效,也可以與大多數(shù)殺菌劑、殺蟲劑、除草劑混用,均有較好的防治效果。50%丙環(huán)唑,是一種廣譜、內(nèi)吸性的葉面殺菌劑,由江西正邦生物化工股份有限公司研制,對水稻和小麥紋枯病、香蕉黑星病、水稻稻曲病等都有良好防效。噻唑鋅,購自浙江新農(nóng)化工股份有限公司,為懸浮劑,對細(xì)菌性病害特效,對多種真菌性病害高效。噁霉靈(hymexazol),為內(nèi)吸性殺菌劑、土壤消毒劑和植物生長調(diào)節(jié)劑,購自北京為民生物科技公司。
1.2.1 病原菌分離及形態(tài)特征觀察 選取感病的黑皮甘蔗葉片和葉鞘,用剪刀在病健交界處剪出0.2 mm×0.2 mm 左右的正方形小塊,然后依次在70%酒精中放置30 s,2%NaClO 1.5~2 min,無菌水沖洗4 次,置于無菌濾紙上在超凈臺中晾干,最后放置于PDA 培養(yǎng)基上25 ℃進行暗培養(yǎng)。
1.2.2 致病性測定 選取在PDA 上培養(yǎng)7 d 的分離菌株,菌絲塊大小為5 mm×5 mm,分別接種于帶有傷口的1 月齡甘蔗苗上;同時以相同的PDA培養(yǎng)基塊接種于帶傷口的黑皮甘蔗莖稈上,作為陰性對照。
采集健康和發(fā)病的甘蔗作為種子,分別種植于已滅菌的土壤中,放置于恒溫培養(yǎng)箱中28 ℃培養(yǎng)(光照/黑暗:12 h/12 h;濕度:40%);正常肥水管理,20 d 后觀察甘蔗苗的生長狀態(tài)。
1.2.3 分離菌株的分子生物學(xué)鑒定 將培養(yǎng)7 d的分離菌株菌絲從PDA平板上刮下來,迅速用液氮研磨。然后依據(jù)Axygen動植物基因組DNA制備試劑盒說明書進行DNA提取。選取核糖體轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)的檢測引物(ITS1:5' -TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3'和ITS4:5'– TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')[14],分別以分離菌株的全基因組DNA為模板進行PCR擴增。對所得到的PCR產(chǎn)物在1 %的瓊脂糖凝膠上進行電泳檢測,將獲得的陽性PCR產(chǎn)物送去測序。對獲得的片段核酸信息在NCBI中進行BLAST并把相關(guān)數(shù)據(jù)提交到NCBI數(shù)據(jù)庫,同時利用MegAlign 7.1.0(44)軟件以最大似然法建立進化樹,從而確定該分離菌株的分類地位。
1.2.4 甘蔗組織DNA 的提取 稱取新鮮組織 4~5 g,剪碎放入研缽中,用液氮研磨成粉末;將粉末轉(zhuǎn)移到已滅菌的2 mL 離心管中,根據(jù)Axygen 動植物基因組DNA 制備試劑盒說明書進行操作,并在1%瓊脂糖凝膠上對所獲DNA 進行電泳檢測。
1.2.5 甘蔗黑孢霉葉斑病的檢測 根據(jù)以ITS1/ITS4 為引物,甘蔗黑孢霉葉斑病病原菌N.sphaerica的D N A 為模板,擴增獲得的ITS序列設(shè)計特異性的檢測引物。通過NCBI的Primer-blast設(shè)計2對引物;Ns1F:5-TGTACCTGCGGAGGGATCAT-3和Ns2R:5-CCTGATCCGAGGTCAACCAG-3,PCR產(chǎn)物為501 bp;Ns2F:5-GAACGCAGCGAAATGCGATA-3和Ns2R:5-ACTACGCTCAG AGGACTGCT-2,PCR產(chǎn)物為206 bp。分別以采集自田間發(fā)病植株的葉片和葉鞘,人工接種發(fā)病植株的葉片以及N.sphaerica菌落的DNA為模板進行PCR反應(yīng),PCR反應(yīng)流程為:95℃預(yù)變性5 min;95℃變性30 s,55℃退火30 s,72℃延伸60 s,34個循環(huán);72℃延伸10 min;取5 μL PCR產(chǎn)物在1%瓊脂糖凝膠上進行電泳檢測;同時將獲得的陽性PCR產(chǎn)物測序,確定擴增的準(zhǔn)確性。
1.2.6 菌株S2-1 生物學(xué)特性的測定 溫度對菌株S2-1 菌絲生長的影響:在單胞培養(yǎng)7 d 的N.sphaerica菌落上,用滅菌打孔器取直徑5 mm的菌餅分別接種在PDA 平板中央,每塊平板上放1 個,分別放在5、10、15、20、25、30 ℃培養(yǎng)箱中,每個處理3 次重復(fù)。同時,分別在接種后1、2、3、4 d 用十字交叉法測量菌落生長直徑并記錄。
pH 對S2-1 菌絲生長的影響:用1 mol/L NaOH 和1 mol/L HCl 分別調(diào)節(jié)滅菌的PDA 培養(yǎng)基,pH 分別調(diào)節(jié)為4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、8、9。取單胞培養(yǎng)7 d 的N.sphaerica菌落上直徑5 mm 的菌餅,分別接種在調(diào)好pH 的平板上,每個處理3 次重復(fù)。接種后,把平板放入28 ℃培養(yǎng)箱中進行暗培養(yǎng),接種后5 d 用十字交叉法測量菌落生長直徑并記錄。
1.2.7 7 種殺菌劑對N.sphaerica(S2-1)的抑制率測定 通過菌絲生長速率測定法[15],在PDA培養(yǎng)基中分別加入濃度為5、15、25、35、45、55 mg/L 的苯醚甲環(huán)唑,0.05、0.1、0.25、0.5、1、2 mg/L 的50%丙環(huán)唑,0.18、0.35、0.7、1.4、2.8、5.6 mg/L 的苯甲·福美雙,0.005、0.01、0.02、0.04、0.08、0.16 mg/L 的咪鮮胺,0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.2、2.4 mg/L的施保功,2.5、5、10、15、20、25、35 mg/L的噻唑鋅,2.5、5、10、15、20、25 mg/L 的噁菌靈制成含藥培養(yǎng)基;然后在培養(yǎng)7 d 的N.sphaerica菌落上用滅菌打孔器取直徑為5 mm 菌餅,將菌餅生長菌絲的一面朝下接種在各含藥培養(yǎng)基和空白PDA 培養(yǎng)基平板中央(每個平板接種1 個菌餅),每個處理3 次重復(fù),并放置在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行暗培養(yǎng);然后在培養(yǎng)3、4、5、6 d 采用十字交叉法分別測量菌落直徑并記錄,每個處理4 次重復(fù),計算不同處理對菌絲生長的抑制率:

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進行處理,采用DPS2005 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,應(yīng)用Duncan氏新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗。
從發(fā)病的黑皮甘蔗葉片和葉鞘上分離獲得6株分離菌株,其中1 株與其他分離株的菌落形態(tài)均不一樣;我們把這株不一樣的分離菌株命名為S1,其他分離菌株編號為S2-1~S2-5,其中S2-1~S2-5 在菌落形態(tài)和培養(yǎng)特性方面均一致。S1在PDA 上培養(yǎng)7 d 后的菌落形態(tài)為圓形,中心淡紫色,其他部位為白色;在顯微鏡下觀察,其有大、小2 種孢子,大孢子為明顯的鐮刀狀,小孢子為卵圓形(圖1A、D)。S2-1~S2-5 在PDA 培養(yǎng)基上培養(yǎng)3~4 d 后,菌落圓形,顏色從中央依次為黑色、黃色和白色(圖1B);培養(yǎng)7 d 后,隨著色素的積累,整個菌落呈現(xiàn)黑色(圖1C)。本試驗選取S2-1 為代表菌株,S2-1 的菌絲有分隔和分叉,白色和黑色;分生孢子單生、頂生,單孢球形或近球形,黑色,表面光滑,直徑10.2~15.8 μm(圖1E)。根據(jù)病原菌的形態(tài)特征及培養(yǎng)性狀,初步判斷S1 為鐮刀菌屬真菌,S2-1~S2-5 為球黑孢病菌Nigrospora sphaerica(Sacc.)Mason[16]。

圖1 甘蔗黑孢霉葉斑病病原菌的分離及分子鑒定Fig.1 Isolation and molecular identification of the pathogen of sugarcane Nigrospora blight
為進一步明確甘蔗黑孢霉葉斑病的病原菌,分別對S1 和S2-1 在甘蔗上進行致病性測定。結(jié)果(圖2)表明,S1 在甘蔗上不具有致病性,S2-1 能夠在甘蔗上引起與田間相似的病害癥狀。同時,以帶菌的甘蔗莖稈和健康甘蔗莖稈為種子種植在滅菌土壤中,放置于28 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)和田間,均進行正常的肥水管理;1 個月后,以帶菌甘蔗莖稈為種子長出的甘蔗苗葉片從葉尖到葉基表現(xiàn)出明顯的白條癥狀;在田間的試驗中也表現(xiàn)出相同的癥狀。而以健康甘蔗莖稈為種子長出的甘蔗苗則沒有表現(xiàn)出任何癥狀。再次對這些發(fā)病甘蔗苗進行病原菌分離仍然能夠獲得與S2-1 菌落形態(tài)和生物學(xué)特性相一致的病原菌。以上結(jié)果表明,甘蔗黑孢霉葉斑病為甘蔗的種傳病害。

圖2 菌株S2-1 在甘蔗上的致病性測定Fig.2 Pathogenicity determination of strain S2-1 on sugarcane
利用真菌ITS 序列通用引物對菌株S2-1 的DNA 擴增,獲得大小約為580 bp 的片段。將該ITS 序列進行測序,并將序列提交至NCBI,經(jīng)BLAST比對發(fā)現(xiàn),S2-1 的ITS(登錄號:MW832509)與來自N.sphaericaPTA1 的ITS(登錄號:KM893076.1)在序列的相似性和覆蓋性上均為100%。同時通過MegAlign 7.1.0(44)軟件以最大似然法建立菌株S2-1 的系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)現(xiàn),S2-1 與黑孢霉菌株P(guān)TA1 在一個分支上,而與N.oryzaeBY-D(KF924041)和N.osmanthiCOL2(MH645207)的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。根據(jù)菌株S2-1的形態(tài)學(xué)特征以及分子生物學(xué)鑒定結(jié)果,甘蔗黑孢霉葉斑病的病原菌鑒定為球孢霉菌N.sphaerica(圖3)。

圖3 基于ITS 序列以最大似然法構(gòu)建菌株S2-1 與Nigrospora sp.其他種的進化樹Fig.3 Phylogenetic tree of strain S2-1 and Nigrospora sp. based on ITS sequence with maximum likelihood method
通過PCR 檢測,結(jié)果表明,Ng1F/ Ng1R 能夠?qū)в懈收岷阪呙谷~斑病的甘蔗病樣及其病原菌N.sphaerica進行有效擴增(圖4A),而Ng2F/ Ng2R 則不能夠?qū)σ陨细收岵舆M行有效擴增。因此Ng1F/ Ng1R 可以作為檢測甘蔗黑孢霉葉斑病的檢測引物。
2.4.1 溫度對S2-1 菌絲生長的影響 甘蔗黑孢霉葉斑病病原菌S2-1 對溫度的適應(yīng)范圍較廣,在10~30 ℃范圍內(nèi),S2-1 均能生長。但當(dāng)溫度為5 ℃時,菌絲停止生長;而當(dāng)溫度高于30 ℃時,菌絲生長速率明顯下降。最適生長溫度為25 ℃,其次為20 ℃(圖4B)。當(dāng)溫度為25 ℃時,菌落生長速率最快;培養(yǎng)4 d 后,菌落直徑已經(jīng)達到80 mm,且與20 ℃和30 ℃之間的差異明顯(圖4B)。
2.4.2 pH 對S2-1 菌絲生長的影響 甘蔗黑孢霉葉斑病病原菌S2-1 對酸堿度適應(yīng)范圍較廣,在pH 為4~8 范圍內(nèi)均可以正常生長。但以pH7 時菌落生長速率最快,培養(yǎng)4 d 后平均菌落直徑為80 mm;隨著pH 升高,菌絲生長速度開始下降。當(dāng)pH 為9 時,菌絲停止生長(圖4C)。

圖4 Nigrospora sphaerica 的檢測電泳及其在不同溫度和pH 條件下的菌落生長直徑Fig.4 Detection electrophoresis of Nigrospora sphaerica and its colony growth diameter on PDA plate under different temperatures and pH
咪鮮胺對甘蔗黑孢霉葉斑病菌的抑菌效果最好,最高可達到98%;苯醚甲環(huán)唑和施保功的抑菌效果次之,最高可達到90%和93%;50%丙環(huán)唑、苯甲·福美雙和噁菌靈的防治效果較差,最高在70%~81%之間;而噻唑鋅則完全沒有抑菌效果(圖5 和表1)。因此,在對甘蔗黑孢霉葉斑病進行防治時可優(yōu)先選用咪鮮胺,也可選用苯醚甲環(huán)唑和施保功進行交叉使用。

表1 共培養(yǎng)6 d 后7 種殺菌劑對Nigrospora sphaerica 在PDA 平板上菌落生長的抑制作用Table 1 After co-cultivate 6days,indoor inhibition effect of 7 fungicides on the growth of conloy of Nigrospora sphaerica on PDA

圖5 7 種殺菌劑對Nigrospora sphaerica 在PDA 平板上生長的影響Fig.5 Effects of 7 fungicides on the growth of Nigrospora sphaerica on PDA plates
為了選出不同殺菌劑在室內(nèi)抑制甘蔗黑孢霉葉斑病菌生長效果最佳的使用濃度,通過對以上供試藥劑梯度濃度(具體濃度見1.2.7)進行抑菌測定實驗發(fā)現(xiàn):咪鮮胺的抑菌濃度最低,抑菌效果最好,在0.16 mg/L 時抑菌效果達到98%;其次是施保功,在2.4 mg/L 時抑菌效果達到93%,而苯醚甲環(huán)唑在濃度為35 mg/L 時抑菌濃度最高為90%,其他藥劑的防治效果均不理想。因此在防治甘蔗黑孢霉葉斑病時推薦使用0.16 mg/L 咪鮮胺藥劑和2.4 mg/L 施保功藥劑。
種苗安全對甘蔗的安全生產(chǎn)有著極其重要的作用。本研究中,甘蔗黑孢霉葉斑病為甘蔗上新發(fā)現(xiàn)的種傳病害,由黑孢霉N.sphaerica引起;該病害為本課題組2016 年和2017 年在廣東省廣州市南沙區(qū)田間的黑皮果蔗上發(fā)現(xiàn)[17]。甘蔗黑孢霉葉斑病在甘蔗成株期發(fā)病時,主要影響甘蔗糖分的積累;但是在甘蔗幼苗期發(fā)病時會造成甘蔗植株的整株枯死,而且一旦種莖帶病,長出的苗子則100%帶病。甘蔗黑孢霉葉斑病嚴(yán)重影響甘蔗的產(chǎn)量和質(zhì)量。
近年來越來越多關(guān)于N.sphaerica引起病害的報道,如在印度的茶葉、中國的茶花和青錢柳上引起黑孢霉葉斑病等[16,18-20]。但關(guān)于N.sphaerica引起甘蔗黑孢霉葉斑病及其病原菌的生物學(xué)特性還是首次報道。過去甘蔗病害的防治主要以培育抗病品種為主,輔助以化學(xué)藥劑防治和栽培管理(如種植密度、種植方式及肥水管理等)[21-22];但對于種傳甘蔗病害則首先是加強引種檢疫,并多采用與其他作物進行輪作、種植無病種苗及改變施肥模式等[2,23-24]。甘蔗作為用蔗莖腋芽進行無性繁殖的作物,由于多年反復(fù)種植,極易受到種苗傳播病原的反復(fù)侵染,而且一旦侵染,將會給甘蔗產(chǎn)量和質(zhì)量造成極大損失。研究者們在脫毒健康種苗的生產(chǎn)方面采用了各種方法,如熱蒸汽消毒種苗、熱水浸種消毒以及后來的熱水浸種消毒結(jié)合組織培養(yǎng)脫毒技術(shù);同時通過建立三級苗圃制來進一步杜絕危險性病害的蔓延,保證種苗的健康[25-26]。通過研究發(fā)現(xiàn),N.sphaerica的最適生長溫度為25 ℃,最適pH 為7,因此也可通過以上方法對種苗進行脫毒處理。此外,也有研究表明甘蔗間套種綠豆可通過改善土壤環(huán)境提高甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)[27-29];同時通過7 種不同殺菌劑對N.sphaerica的抑菌性測定發(fā)現(xiàn),咪鮮胺和施保功可用以對甘蔗蔗種進行浸種處理或在甘蔗下種前,與細(xì)土混合后撒施在甘蔗基部。而在過去也有報道咪鮮胺和苯醚甲環(huán)唑在甘蔗病害的防控上發(fā)揮重要作用,如咪鮮胺和苯醚甲環(huán)唑?qū)Ω收岷謼l病有明顯的防治效果,但苯醚甲環(huán)唑?qū)Ω收岷阪呙谷~斑病病原菌的室內(nèi)毒力測定效果則欠佳[30]。
引起種傳病害甘蔗黑孢霉葉斑病的病原菌為N.sphaerica,引物Ng1F/ Ng1R 可以作為田間和室內(nèi)對甘蔗黑孢霉葉斑病病原菌的檢測;通過對N.sphaerica的生物學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn),該菌的最適生長溫度為25 ℃,最適生長pH 為7;咪鮮胺藥劑0.16 mg/L 和施保功藥劑2.4 mg/L 對N.sphaerica的抑菌效果最顯著,抑菌效果均可達到93%以上,推薦這2 種藥劑作為甘蔗蔗種處理和田間施用藥劑。化學(xué)藥劑防治僅是防治甘蔗黑孢霉葉斑病發(fā)生的一個措施,最有利的防治手段還是加強甘蔗的種苗檢測,尤其是在引種時和蔗區(qū)調(diào)種時。