關鍵詞:水稻;白葉枯病;實時熒光定量PCR;定量檢測;防效評價中圖分類號: 5435.111.4+7 文獻標志碼:A 文章編號:1002-1302(2025)10-0145-07
水稻(OryzasativaL.)是世界最主要的糧食作物之一[1],我國一半以上的人口以稻米為主食。因此,保障水稻的產量對我國糧食安全具有重要作用[2]。在生產過程中,若發生病蟲害,會對水稻產量造成一定的損失,而水稻白葉枯病(bacterialleafblight,BLB)就是引起水稻減產的三大病害之一,該病害是由水稻黃單胞菌水稻致病變種[Xanthomonasoryzaepv.oryzae(簡稱:Xoo)引起的細菌性維管束病害[3],在水稻的整個生命周期內均可發生。在一般發病條件下,水稻白葉枯病造成的產量損失約為20% ,發病條件適宜時造成的產量損失甚至超過50% ,更嚴重時會導致田塊沒有收成[4]。水稻白葉枯病在華東、華南和華中地區的危害較大[5],嚴重影響了我國水稻的產量。因此,針對水稻白葉枯病病害發生嚴重的稻區開展水稻白葉枯病的防治研究,對于保證糧食安全生產至關重要。
近些年來,隨著水稻抗病基因的發掘和應用,水稻白葉枯病雖然在整體上得到了控制,但是有些稻區可能由于原有抗性基因的抗性喪失,因而出現了水稻白葉枯病擴展蔓延之勢,給當地水稻生產造成了較大損失。例如,在云南省楚雄市的粳稻種植區,該病害的發病面積逐年增加,嚴重地塊的發病率已達 100% 。目前,防治水稻白葉枯病的方法有生物防治法、農藥防治法等[6-7]。其中,生物防治法主要利用拮抗作用、微生物代謝產物等防治水稻白葉枯病8,該方法具有健康環保、無公害等優點[9-10],常見做法是利用從水稻根際土壤中或者水稻植株內部分離得到的生防菌進行防治[11]。在農業生產中,防治水稻白葉枯病最常用的方法是化學防治法,該方法主要利用化學藥品的拮抗殺菌作用防治病害,具有快速、高效等優點,是當前防治水稻白葉枯病最廉價、高效的應急舉措之一,常用藥劑有 20% 噻唑鋅懸浮劑[12] 6% 中生菌素可濕性粉劑 ,35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑[13]等。為了評估藥劑對水稻白葉枯病的防控效果,不僅可以通過病情調查進行分析,還可以通過檢測施藥后水稻植株內病原菌的含量來分析。目前,檢測 χoo 的方法有病原菌分離培養后計數和分子生物學方法,如聚合酶鏈式反應(polymerasechainreaction,PCR)實時熒光定量 PCR(quantitative real -time PCR,qPCR)等[14]
隨著分子生物學技術的發展,傳統的檢測方法已經不能滿足快速檢測的要求。PCR法、qPCR法等是目前檢測 Xoo 較為常用的方法[15]。常規PCR技術主要通過對一定量的DNA進行擴增,擴增產物再通過瓊脂糖凝膠電泳進行鑒定,DNA達到一定量時,常規PCR反應才夠靈敏。當DNA量較小時,常規PCR反應就不靈敏,此時就需要使用靈敏度更高的qPCR技術進行檢測[16-18]。qPCR 技術是近些年發展起來的一種靈敏性好、特異性強、能快速檢測核酸分子的技術,在病原菌的快速檢測中扮演重要角色,該技術常通過PCR反應體系與一定量的熒光染料結合,實時監測反應產物的擴增曲線、熔解曲線,后續通過結合分析軟件進行定性、定量分析[5]qPCR技術可以檢測病原菌在植物體內的數量,它克服了常規PCR的諸多不足,使得該技術成為分子檢測的熱門技術[17,19]
目前,國內外廣泛將qPCR技術應用于動植物病原菌的快速檢測和定性、定量研究中。張健男等利用qPCR,從水稻細菌性條斑病菌(Xoc)現有的基因入手,設計和篩選出適合qPCR檢測的Xoc特異性引物,并建立了qPCR檢測方法,可用于檢測、鑒定 Xoc[3] 。Chaves 等開發了1種新的基于 TaqMan探針的qPCR方法,該方法也可在常規PCR反應中進行,用于檢測4種已知植物病原物種[20]。在農業生產中,對農作物進行防治之后,利用qPCR技術對水稻葉片內的病原菌含菌量、數量變化進行檢測已經得到廣泛運用。唐利華等通過qPCR技術檢測噴施化學農藥后柑橘葉片中黃龍病病原菌的含量,發現噴施藥劑后柑橘葉片中病原菌的含量大幅度降低,說明該藥劑對柑橘黃龍病具有防治效果,也說明qPCR技術可以用于化學防治效果的田間評價[21]。王淑芳等利用qPCR 技術對噴施生防菌前后水稻紋枯病菌的數量、發病情況及水稻產量進行評價,發現施用生防菌后,水稻紋枯病菌的數量有所降低,與防治效果、產量結果一致,說明qPCR技術可以用于生物防治效果的田間評價[22]
為了深入研究防治水稻白葉枯病的有效藥劑,本研究擬對防治Xoo的相關藥劑進行溫室試驗,并通過qPCR技術檢測施用不同藥劑后水稻白葉枯病菌在水稻葉片中的含量,進一步對其進行溫室藥效評價。以期為田間防治水稻白葉枯病的高效用藥提供科學依據。
1材料與方法
1.1 試驗材料
供試水稻材料為日本晴;供試接種菌株為水稻白葉枯病菌株 (Xoo)LF21-38 (分離于云南省楚雄彝族自治州祿豐市發病最嚴重的稻田,保存于楚雄師范學院環化學院生化與分子實驗室)。NA培養基配方: 7g 蛋白脈, 3g 牛肉膏, 12g 葡萄糖, lg 酵母粉, 18g 瓊脂, 1000mL 蒸餾水, pH 值7.0,配好后于 121qC 滅菌 20min 。LB 液體培養基配方: 10g 胰蛋白膚, 5g 酵母粉, 10gNaCl,1000mL 蒸餾水,配好后于 121°C 滅菌 20min 。供試生防菌為枯草芽孢桿菌(分離于云南省楚雄彝族自治州祿豐市水稻種植區的水稻葉片,保存于楚雄師范學院環化學院生化與分子實驗室),供試藥劑為 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑(青島奧迪斯生物科技有限公司) ,20% 噻唑鋅懸浮劑(廣州方富化工有限公司) 6% 中生菌素可濕性粉劑(福建凱立生物制品有限公司),均由楚雄師范學院資源環境與化學學院生化與分子實驗室提供。
溫室試驗于2023年5月在楚雄師范學院資源環境與化學學院溫室大棚進行。
1.2 試驗方法
1.2.1水稻白葉枯病病原菌LF21-38的基因組DNA提取對病原菌LF21-38進行活化及傳代培養。挑取單菌落于 5mL 液體LB 培養基中,在28°C 振蕩培養 12h (轉速為 180r/min )后進行基因組DNA的提取,提取方法參照天根生化科技(北京)有限公司的細菌基因組DNA提取試劑盒。
1.2.2 引物合成參考Lu等的方法,基于 χoo 糖基轉移酶基因設計引物 JLXooΔF/R[19] ,該引物對水稻白葉枯病病原菌具有較強的特異性。JLXooF序列為 5′ -CCTCTATGAGTCGGGAGCTG- 3′ ;JLXoo R序列為 5′ - ACACCGTGATGCAATGAAGA -3′ 。引物由北京擎科生物科技股份有限公司合成。
1.2.3引物的特異性檢測用引物JLXooF/JLXooR對提取的病原菌LF21-38基因組DNA進行PCR、qPCR擴增,檢測引物的特異性,以 Xoc (與Xoo為同種不同的致病變種)的基因組DNA作為陰性對照。
常規PCR反應體系( 25μL):12μL 2×Taq PCRMix,各 1μL 引物, 1μL DNA模板,用 ddH20 補足至 25μL 常規PCR反應程序:95 C 5min ;95個循環; 72°C 10min 。對常規PCR反應產物進行 1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測,用凝膠成像系統分析結果。
Real-timePCR反應體系( 20μL : 10μL2× SuperRealPreMixPlus[天根生化科技(北京)有限公司的SuperReal熒光定量預混試劑],各 0.4μL 引物 10μmol/L ), 1μL DNA模板,用 ddH2O 補足至20μL Real-timePCR反應條件(三步法): 95°C 3min;95%10s,54.5%30s,95% 10s (收集熒光信號),40個循環。PCR循環結束后,降溫至 60°C 并保持 60s ,然后升溫至 72°C ,保持72s,收集熒光信號,建立熔解曲線。根據熔解曲線是否為單一特異的峰,用來判斷引物的特異性。
1.2.4引物的靈敏度檢測Xoo 病原菌LF21-38基因組DNA按照10倍梯度稀釋成6個濃度梯度,先取10μL 原濃度的DNA(濃度為 1.01×102ng/μL? 加入90μL 無菌水中,將DNA 稀釋成10倍,再取 10μL 稀釋成10倍的DNA加人 90μL 無菌水中,稀釋成100倍,以此類推分別稀釋成 10-1,10-2 ! 10-3 、10-4,10-5,10-6 濃度梯度,DNA濃度依次為 4.35× 101ng/μL,3.30ng/μL,2.33×103pg/μL,1.93×
2.
、1×103fg/μL 。分別用常規PCR、qPCR對進行梯度稀釋的DNA進行引物靈敏度檢測,常規PCR、qPCR的反應體系及程序同引物特異性檢測。根據擴增條帶及熒光信號值大小,檢測所合成的引物在2種方法中對水稻白葉枯病病菌基因組DNA檢測的靈敏度。
1.2.5 標準曲線的建立以梯度稀釋的DNA作為模板,以JLXooR/XooF為引物進行qPCR。反應結束后,以模板DNA對數的copy值為 x 軸、循環閾值(cyclethreshold, CT )為 y 軸,建立Xoo特異性引物的標準曲線。根據 qPCR 儀系統分析的lgDNA(濃度)值與 CT 值之間的關系,驗證兩者之間的相關度[23]
1.2.6 溫室試驗
1.2.6.1溫室預防水稻白葉枯病試驗將水稻日本晴幼苗進行移栽,待水稻苗長到孕穗前期,進行溫室試驗。用無菌水與菌株LF21-38配制成濃度為
約為0.5)的菌懸液進行噴霧接種。在溫室預防試驗中,先噴施供試藥劑( 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑 6% 中生菌素可濕性粉劑 ,20% 噻唑鋅懸浮劑)及枯草芽孢桿菌, 12h 后再噴施菌懸液,施藥量均為每種藥劑的推薦使用劑量,將枯草芽孢桿菌進行搖瓶發酵,至菌懸液濃度約為 108CFU/mL(D600nm 約為0.5)[24],以噴施等量無菌水的處理作為空白對照,套袋保濕,控制溫室溫度為 24~30°C ,自然光照條件。藥劑的推薦用量如下:枯草芽孢桿菌 7500mL/hm2 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑 480~540mL/hm2 6% 中生菌素可濕性粉劑 450~600g/hm2 20% 噻唑鋅懸浮劑 1005~ (204號 1500mL/hm2 。參試藥劑用水量均為 600L/hm2 ,進行溫室預防水稻白葉枯病試驗7d后觀察其發病情況。
1.2.6.2溫室治療水稻白葉枯病試驗在溫室治療試驗過程中,先接種菌懸液, 48h 后再噴施供試藥劑、枯草芽孢桿菌,施藥量同溫室預防試驗,以噴施等量無菌水作為空白對照。通過套袋進行保濕,控制溫室溫度為 24~30°C ,自然光照條件,7d后觀察其發病情況。
1.2.6.3溫室預防和治療防治效果的測定根據水稻發病狀況進行藥劑預防、治療效果的測定,測量接種葉片的病斑長、總葉片長,并進行病情等級的分級。水稻白葉枯病的分級標準參照吳水祥等的方法[12]。根據測量結果,按照如下公式計算病情指數和防治效果:病情指數 =[Σ (各級病葉數 × 病情級數)/(調查總葉片數 ×9 ) ]×100 ;病情防效 Σ=Σ [(空白對照區病情指數-處理區病情指數)/空白對照區病情指數] ×100% 。用Excel進行數據整理,用SPSS16進行數據間的差異分析。
1.2.7水稻葉片總DNA的提取采集溫室試驗處理后的水稻葉片,用無菌水清洗水稻葉片3次后,用液氮研磨成細粉,采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)法提取葉片總DNA,CTAB法參考譚小艷等的方法[25] 。
1.2.8Real-timePCR定量檢測接種后水稻葉片中水稻白葉枯病病原菌含量按照上述qPCR的反應體系及程序對提取的水稻葉片總DNA進行qPCR 。根據反應標準曲線判斷進行治療試驗、預防試驗后水稻葉片上水稻白葉枯病病菌量的變化情況。將反應后的 CT 值代入建立的標準曲線回歸方程,可以計算出lgDNA,再根據如下公式計算水稻白葉枯病病原菌DNA的拷貝數:DNA拷貝數 Σ=Σ [DNA濃度( ng/μL ) ×DNA 體積 (μL)×6.02×1023]. /[片段長度 ×660g/mol][26] ,從而對水稻葉片上水稻白葉枯病病菌的數量進行定量。
2 結果與分析
2.1引物特異性驗證
用引物JLXooF/JLXooR對水稻白葉枯病病原菌LF21-38的DNA進行常規PCR擴增。由圖1-a可知,水稻白葉枯病病原菌的DNA擴增出 230bp 的目標條帶,而作為陰性對照的Xoc基因組DNA無擴增條帶。用引物JLXooF/JLXooR進行real-timePCR擴增,圖1-b結果顯示,該引物僅對水稻白葉枯病病原菌有單一的吸收峰。

2.2引物的靈敏度檢測
2.2.1常規PCR檢測引物的靈敏度用引物JLXooF/JLXooR對按照濃度梯度稀釋的基因組DNA進行常規PCR的靈敏度測定。由圖2可以看出,該引物能擴增到濃度為 1.93×102pg/μL (泳道4)的基因組DNA,目標條帶大小約為 230bp 。在泳道5中,濃度為 1.43×101pg/μL 的 DNA也能擴增出條帶,但目標條帶微弱、模糊。泳道6、7的DNA濃度分別為 2.5pg/μL,1×103fg/μL ,由于濃度較低,不能用常規的PCR檢測出來,因此不能擴增出任何條帶。根據上述結果分析可知,常規PCR的檢測靈敏度為 1.43×10pg/μL 。
2.2.2實時熒光定量PCR檢測引物靈敏度借助real-timePCR技術,用引物JLXooF/JLXooR進行靈敏度檢測。由圖3-a可知,熒光定量信號曲線均為單一、平滑的曲線,說明該引物的靈敏度較好。由圖3-b可知,熔解曲線均出現明顯單一的峰,說明該引物的靈敏度較好。 a,b,c,d,e,f 這6個濃度梯度的DNA均有擴增曲線, g 濃度的DNA由于濃度過低,超出qPCR反應檢測的下限,因而沒有擴增出曲線,也沒有出現熔解峰。基于上述結果分析可知, qPCR 的檢測靈敏度為 2.5pg/μL ,是常規PCR檢測靈敏度的10倍。

2.3 Real-timePCR標準曲線的建立
以梯度稀釋制備的DNA進行qPCR檢測,由于引物JLXooF/JLXooR的擴增對數曲線規律較好(圖3-a),因此以不同稀釋梯度的基因組DNA拷貝數的對數為 x 軸
值為 y 軸構建標準曲線。由圖4可知,該體系的線性關系良好 (y=-2.579 3x+ 43.946 0), r2=0.999 9 ,可用于后續水稻白葉枯病菌熒光定量的檢測。

DNA; b-3.30ng/μL DNA; c-2.33×103pg/μL DNA; d-1.93×102pg/μL DNA; e-1.43×10pg/μL DNA;
DNA; g-1×103fg/μL DNA

2.4水稻白葉枯病原菌LF21-38侵染葉片后病原菌的real-timePCR定量
通過對水稻葉片總DNA進行實時熒光定量PCR反應后,將擴增曲線上對應的 CT 代入回歸方程 y=-2.5793x+43.9460 ,便可計算出DNA濃度對數,再根據如下公式計算水稻白葉枯病病原菌的DNA拷貝數:DNA拷貝數 σ=σ [DNA濃度 (ng/μL)× DNA體積 (ΔμL)×6.02×1023]/[ 片段長度 × 660g/mol] 。由表1可知,在溫室治療和預防水稻白葉枯病試驗過程中, 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑、6% 中生菌素可濕性粉劑 .20% 噻唑鋅懸浮劑和枯草芽孢桿菌處理后水稻白葉枯病菌的拷貝數均低于對照組, 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑處理后的拷貝數最低,其次是 6% 中生菌素可濕性粉劑、 20% 噻唑鋅懸浮劑和枯草芽孢桿菌處理。在不同處理后,無論是 CT 值還是DNA拷貝數都具有顯著差異,說明35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑的處理效果最好, 6% 中生菌素可濕性粉劑次之,枯草芽孢桿菌的效果較差。

2.5 溫室藥效試驗
為了明確 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑 6% 中生菌素可濕性粉劑、 20% 噻唑鋅懸浮劑3種藥劑和枯草芽孢桿菌對水稻白葉枯病的防效,開展溫室藥效試驗。在白葉枯病治療試驗中,水稻在接種LF21-38菌懸液后再噴施3種藥劑和枯草芽孢桿菌。由表2可知,經過不同處理后,病斑長在6.11\~11.87cm 之間,病情指數在 48. 15%~53. 09% 之間。用 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑處理后,水稻葉片的平均病斑長為 6.11cm ,病情指數為 48.15% ,均低于其他處理組,治療效果為 26.41% ,均高于其他處理組,說明 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑處理對水稻白葉枯病的治療效果最好。其次是 6% 中生菌素可濕性粉劑 20% 噻唑鋅懸浮劑處理,枯草芽孢桿菌的治療效果最差,且 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑 ,6% 中生菌素可濕性粉劑 .20% 噻唑鋅懸浮劑處理后的病情指數無顯著差異。
白葉枯病的預防試驗結果表明, 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑 ,6% 中生菌素可濕性粉劑 ,20% 噻唑鋅懸浮劑和枯草芽孢桿菌處理后,白葉枯病的病情指數均低于對照處理。在水稻白葉枯病的預防試驗中,病斑長在 3.04~9.48cm 之間,病情指數在32.72%~48.76% 之間。其中,噴施 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑后,水稻葉片的平均病斑長為3.04cm 病情指數為 32.72% ,均低于其他處理組,而預防效果為 50.92% ,均高于其他處理組,說明 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑對水稻白葉枯病的預防效果最好。其次是 6% 中生菌素可濕性粉劑 ,20% 噻唑鋅懸浮劑處理,枯草芽孢桿菌的預防效果較差,防治效果不足 30% 。綜上,根據溫室藥效試驗結果可知,整體上預防效果均好于治療效果,且 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑對水稻白葉枯病防治有很好的效果,其次是 6% 中生菌素可濕性粉劑, 20% 噻唑鋅懸浮劑、枯草芽孢桿菌對水稻白葉枯病也有較好的防治效果。本試驗結果與不同處理后水稻葉片中水稻白葉枯病原菌的real-timePCR定量結果一致。

2.6qPCR檢測結果與防治效果的相關性
為了進一步驗證qPCR檢測結果對水稻病害防治效果的評價相關性分析,本研究對不同處理后水稻葉片的病情指數和qPCR檢測Xoo的拷貝數(copys)進行相關性分析,通過計算發現,各處理水稻葉片qPCR檢測的Xoo拷貝數與葉片病情指數的Spearman相關系數均表現出較強的正相關(圖5)。分析結果表明, qPCR 檢測可以用于評價藥物處理后水稻葉片白葉枯病害的病情指數,用于防效評價、分析。


3討論
3.1引物特異性和靈敏度檢測
水稻白葉枯病是水稻生產中典型的流行病害,而且病原菌可通過多種方式傳播,對水稻的產量和質量產生嚴重影響,因此建立快速、高效的方法檢測水稻白葉枯病菌具有重要意義。張健男等設計了細菌性條斑病的特異性引物XocFhuE-F/XocFhuE-R,并采用實時熒光定量PCR擴增出特異性強且無引物二聚體的單一產物,表明該引物適用于qPCR,且該引物無需用熒光標記的探針來保障引物檢測的特異性,用熒光染料就可對 Xoc 進行qPCR,這為水稻細菌性條斑病高效檢測提供了依據[3]。本試驗利用引物JLXooF/JLXooR對水稻白葉枯病菌進行擴增,得到1條 230bp 的單一產物, qPCR 也能擴增出單一峰,表明該引物特異性強。李文學等通過引物 (F-cox-Pv/R-Pv) 對葡萄霜霉病菌進行常規PCR以及構建qPCR檢測體系,結果表明qPCR 技術靈敏度比常規PCR高100倍[26]。孟鴻洲為了建立可以檢測水稻白葉枯病菌的qPCR體系,通過常規PCR技術和qPCR技術對菌液、帶菌種子、帶菌土壤的檢測,結果表明qPCR比常規PCR靈敏度高[27]。韓陽等用引物 Xoc2071F/R 對水稻細菌性條斑病菌進行常規PCR和qPCR反應,結果表明qPCR的靈敏度比常規PCR 高100 倍左右[28]本試驗通過引物JLXooF/R進行檢測,常規PCR能檢測到濃度為 1.43×101pg/μL 的 DNA,而qPCR中對濃度為 2.5pg/μL 的DNA可得到單一峰,表明常規PCR檢測靈敏度比qPCR低10倍左右。
3.2實時熒光定量對病原菌檢測
近年來, qPCR 技術在植物病害方面的研究不斷深入,不僅用于病原菌的鑒定,還可對被病害侵染的植物進行病原菌定量分析,為防控藥劑對植物病害的防控效果進行評價。王淑芬等利用qPCR技術對施用生防菌前后水稻田土壤中水稻紋枯病菌的數量進行監測,并對發病情況進行統計,結果表明對水稻紋枯病的防治效果隨著生防菌濃度的增加而加強,與清水對照組相比,噴施生防菌后土壤中的水稻紋枯病菌數量隨時間的推移不斷減少,生防菌的防控效果與qPCR檢測結果相一致,說明qPCR技術可以用于生物防治的田間防治效果評價[22]。唐利華等利用qPCR對施藥后柑橘葉片和果皮中柑橘黃龍病菌的含量進行檢測,相比對照組施藥后的柑橘葉片和果皮中病原菌的含量明顯降低,柑橘葉片中病原菌含量降低了 97% 左右,果皮含菌量降低 87% 左右,表明噴施化學藥劑后可通過qPCR進行防治效果評價[21]。本試驗通過對溫室藥效試驗水稻葉片的總DNA進行 qPCR 檢測,結果表明,施用不同藥劑和枯草芽孢桿菌后水稻白葉枯病菌在水稻葉片上的病原菌含量低于清水對照組。在 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑作用下水稻白葉枯病菌的含量均比 6% 中生菌素可濕性粉劑、 20% 噻唑鋅懸浮劑和枯草芽孢桿菌處理的低,說明 35% 喹啉銅·四霉素懸浮劑處理后的水稻葉片病原菌數量最少,與溫室防治效果相一致,說明qPCR技術可以用于生物防治和化學防治的防治效果評價。因此,qPCR技術可對侵染階段的病原菌進行監測與定量,該方法有利于早期準確估計病害發病情況,結合環境條件及時制定有效的防治策略。
4結論
運用qPCR對白葉枯病菌DNA進行PCR檢測,其靈敏度比常規PCR高出10倍。用qPCR對溫室
藥效試驗后的水稻葉片進行水稻白葉枯病菌的定量分析,定量后葉片中的Xoo拷貝數與葉片病情指數呈正相關。
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