李曉穎,田 宇,趙 亮,陳昌龍,謝 華
(北京市農(nóng)林科學(xué)院 北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心,農(nóng)業(yè)基因資源與生物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100097)
胡蘿卜軟腐果膠桿菌(Pectobacteriumcarotovorum(Pc))是自然條件下普遍存在、寄主范圍和地理分布最為廣泛的植物病原菌之一[1]。Pc表現(xiàn)出高度的遺傳多樣性,可被進(jìn)一步劃分為3個亞種:胡蘿卜軟腐果膠桿菌胡蘿卜亞種P.carotovorumsubsp.carotovorum(Pcc)、胡蘿卜軟腐果膠桿菌黃檀亞種P.carotovorumsubsp.odoriferum(Pco)和胡蘿卜軟腐果膠桿菌巴西亞種P.carotovorumsubsp.brasiliensis(Pcb)[2]。不同于以往認(rèn)為的引發(fā)白菜細(xì)菌性軟腐病的病原菌為Pcc亞種[3-4],對北京地區(qū)白菜型油菜(Brassicarapasubsp.chinensis)軟腐病株進(jìn)行分離,得到了Pcb菌株[5-6],而引發(fā)該地區(qū)芹菜(Apiumgraveolens)軟腐病原菌則以Pco為主[7-8];可見,Pc不同亞種菌株具有各自的寄主偏好性。快菜(苗用大白菜,Brassicarapasubsp.pekinensis)因具有口感好、營養(yǎng)價(jià)值高和生長周期短等優(yōu)點(diǎn),已成為京郊主要種植的葉類蔬菜。近年來,隨著其種植面積的不斷增加和設(shè)施種植模式的快速推廣,細(xì)菌性軟腐病發(fā)生日益頻繁,成為快菜上一類毀滅性病害。目前,尚未見到有關(guān)快菜軟腐病原的詳細(xì)報(bào)道。
本研究針對2015年從北京不同區(qū)縣快菜產(chǎn)地采集的軟腐病株,結(jié)合病原菌形態(tài)學(xué)、生理生化及分子生物學(xué)手段對病原菌進(jìn)行綜合鑒定,以明確引發(fā)快菜軟腐病致病菌種類及其生物學(xué)特性,為該病害的科學(xué)防治提供理論依據(jù)。
本研究的軟腐病菌采自北京昌平、通州、懷柔、大興和房山區(qū)的快菜種植區(qū)。病原菌分離及回接試驗(yàn)參考《植病研究方法》(第3版)[9]。從接種48 h后發(fā)病組織上重新分離獲得病原菌,并編號為KC-01~KC-19、KC-21~KC-30(表1),保存于-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>
表1 Pc菌株的致病力等級Tab.1 Pathogenicity levels of the Pc strains isolated
注:大興1.大興區(qū)長子營鎮(zhèn)南蒲洲村;大興2.北京市大興區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范站;不同小寫字母代表顯著性差異分析結(jié)果(P<0.05,Duncan);M.中致病力;H.高致病力。
Note:Daxing1.Nanpuzhou,Zhangziying,Daxing District;Daxing2.Agricultural Technology Demonstration Station,Daxing District;a-i.The different superscript letters indicate significant difference(P<0.05,Duncan);M.Medium pathogenicity;H. High pathogenicity.
選取健康的大白菜用于致病性分析。接種方法及致病力分級標(biāo)準(zhǔn)參照胡娜娜等[6]的方法。在同等條件下,設(shè)接種無菌0.9% NaCl生理鹽水的植物組織為對照。接種后24 h測量病斑的長度,設(shè)置3次重復(fù),取其平均值作為平均病斑長度。采用SPSS 19.0方差分析程序(ANOVA)對不同菌株間的致病力進(jìn)行差異顯著性分析。
菌株形態(tài)觀察、結(jié)晶紫果膠酸鹽(Crystal violet pectate,CVP)、菌落在KB培養(yǎng)基上的熒光反應(yīng)及7% NaCl和37 ℃培養(yǎng)、氧化還原酶和磷酸酶活性、明膠液化以及其他12種碳水化合物的利用參考《植物病原細(xì)菌鑒定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》(第3版)[10]。每個菌株設(shè)3次重復(fù),參試的對照菌株為PccECC71[11]、PcoBCS7[12]和PcbBC1,不接菌的培養(yǎng)基為空白對照。Biolog微生物鑒定參照田宇等[7]的方法。
將純化后的29個菌株于液體LB培養(yǎng)基中28 ℃振蕩培養(yǎng)過夜,使用Easy Pure Genomic DNA Kit(TRANSGEN)試劑盒提取細(xì)菌基因組DNA。本研究所利用的特異性引物包括Pc的果膠酸鹽裂解酶基因(pectate-lyase,pelY)特異性引物Y1/Y2[13](5′-TTACCGGACGCCGAGCTGTGGCGT-3′/5′-CAGGAAGATGTCGTTATCGCGAGT-3′)和Pcb特異性引物BR1f/L1r[14](5′-GCGTGCCGGGTTTATGACCT-3′/5′-CAAGGCATCCACCGT-3′)。利用引物G1/L1(5′-GAAGTCGTAACAAGG-3′/5′-CAAGGCATCCACCGT-3′)擴(kuò)增16S~23S rDNA ITS(Intergenic transcribed spacer),結(jié)合限制性內(nèi)切酶RsaⅠ(Ferments,USA)酶切,進(jìn)行PCR-RFLP鑒定[15]。
采用16S rDNA引物Pe1/Pe2[6]和pmrA基因引物F0145/E2477[16]對上述菌株基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增及測序。基于本研究中29個菌株與NCBI上相關(guān)菌株的16S rDNA和pmrA基因完整序列,利用軟件MEGA 6.0分別構(gòu)建UPGMA(The unweighted pair group method with arithmetic averages)系統(tǒng)發(fā)育樹,獲得各菌株間的遺傳關(guān)系。
從北京不同區(qū)縣采集的快菜軟腐病病樣(圖1-A)中分離得到了29株菌株。經(jīng)回接驗(yàn)證(圖1-D),均可引發(fā)快菜軟腐病。發(fā)病部位呈淡黃色半透明的水浸狀病斑,病部逐漸擴(kuò)展后呈淺褐色的黏稠狀,具惡臭氣味。病原菌在LB固體培養(yǎng)基上28 ℃培養(yǎng)24 h,菌落呈圓形、乳白色、半透明且邊緣整齊(圖1-B),在CVP上可產(chǎn)生杯狀凹陷(圖1-C)。病原菌為革蘭氏陰性菌(圖1-E),形態(tài)呈短桿狀,兩頭稍鈍圓,鞭毛周生(圖1-F)。以上菌株形態(tài)特征與Pectobacterium一致[9]。
A. 快菜軟腐病田間發(fā)病癥狀;B. LB固體培養(yǎng)基上菌落形態(tài);C. 菌株在CVP平板上產(chǎn)生杯狀凹陷;D. 回接48 h后活體快菜發(fā)病癥狀(左為接種菌液后發(fā)病植株,右為接種清水的對照植株);E. 革蘭氏染色(G-);F. 鞭毛染色。
A. Soft rot symptoms of Chinese cabbage in the fields;B. Bacterial colonies on LB medium;C. Cavities formed on CVP medium;D. Soft rot symptoms on Chinese cabbage 48 h after inoculation(the left side was the infected plant inoculated with the bacteria solution and the right side was the control plant inoculated with water);E. Gram staining of the bacterial isolates(G-);F. Flagella staining of the bacterial isolates.
圖1快菜軟腐癥狀和病原菌形態(tài)學(xué)特征
Fig.1SoftrotsymptomsonChinesecabbageandphenotypiccharacteristicsofthebacterialsoftrotpathogens
Biolog微生物自動化鑒定系統(tǒng)將29株菌株鑒定為Pc,進(jìn)一步生理生化特征分析結(jié)果顯示:所有菌株在過氧化氫酶反應(yīng)中呈陽性,可使明膠液化,在磷酸酶、氧化酶反應(yīng)中呈陰性,在KB培養(yǎng)基上生長不產(chǎn)生熒光,可利用纖維素二糖、蜜二糖產(chǎn)酸,不能利用菊糖、山梨醇、α-甲基葡糖苷產(chǎn)酸;同時(shí)也與Pco可利用山梨醇和α-葡糖苷產(chǎn)酸特性不同,符合Pcc和Pcb生理生化性狀特征描述[14,17-20]。這些菌株的生理生化特性也存在一些差異(表2):菌株KC-03和KC-06不具備在37 ℃及7% NaCl條件下生長的能力;僅KC-05、KC-12、KC-17、KC-23和KC-24可微利用異麥芽酮糖、D-麥芽糖、D-阿拉柏糖醇;KC-07不能利用棉籽糖產(chǎn)酸以及菌株KC-01~03、KC-06和KC-07無法利用檸檬酸鹽。
表2 Pc菌株生理生化特征Tab.2 Physiological and biochemical characterizations of the strains
注:+. 陽性;-. 陰性;W. 微弱利用。
Note:+. Positive;-. Negative;W. Weak positive.
利用Pc的Pel基因特異性引物Y1/Y2對29株菌株基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,均可得到預(yù)期片段大小為434 bp的產(chǎn)物(圖2-A),而Pcb特異性引物BR1f/L1r在17株菌株及對照菌株BC1(Pcb)中均擴(kuò)增出大小約322 bp的產(chǎn)物(圖2-D);L1/G1引物16S~23S rDNA ITS區(qū)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物(圖2-B)RsaⅠ酶切結(jié)果顯示,特征性帶型可將29株菌株劃分為Group Ⅰ~Ⅲ 3組(圖2-C)。Group Ⅰ包含的17株菌株帶型與對照菌株BC1(Pcb)相同,與Pcb特異性引物擴(kuò)增結(jié)果一致;Group Ⅱ包含的4株菌株P(guān)CR-RFLP帶型與ECC71(Pcc)帶型相同;Group Ⅲ的8株菌株P(guān)CR-RFLP帶型雖與本研究中的對照菌株均不相同,但與Toth等[15]報(bào)道的Pcc帶型一致。
A. 引物 Y1/Y2;B. 引物G1/L1;C. Rsa Ⅰ限制性內(nèi)切酶切ITS-RFLP帶型;D. 引物BR1f/L1r。1~29. 分離菌株KC-01~19、KC-21~30;30~32. 標(biāo)準(zhǔn)菌株P(guān)cc ECC71、Pcb BC1和Pco BCS7;33. 陰性對照ddH2O。A. Primers Y1/Y2;B. Primers G1/L1;C. ITS-RFLP patterns digested with Rsa Ⅰrestriction enzyme;D. Primers BR1f/L1r .1-29. Isolated strains KC-01-19 and KC-21-30;30-32. Standard strains Pcc ECC71,Pcb BC1,and Pco BCS7;33. Negative control ddH2O.
對29株菌株的16S rDNA(GenBank登錄號為KY021028-KY021056)和pmrA基因(KY020997-KY021015、KY021015-KY021026)進(jìn)行PCR擴(kuò)增測序,分別獲得片段大小為666,1 530 bp的產(chǎn)物?;趐mrA基因完整序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹中(圖3),17株菌株與已發(fā)表的5株P(guān)cb菌株形成了明顯的Pcb類群,其余12株菌株則與已發(fā)表的5株P(guān)cc菌株形成了Pcc類群,該結(jié)果與上述特異性引物和PCR-RFLP帶型鑒定結(jié)果一致;因此,綜合以上形態(tài)學(xué)、多種生理生化和分子生物學(xué)分析結(jié)果,確定了29株快菜細(xì)菌性軟腐病菌株均屬Pectobacteriumcarotovorum,其中17株為Pcb,12株為Pcc(表2)。pmrA基因序列系統(tǒng)發(fā)育樹又進(jìn)一步將所有的Pcc菌株分為2個亞類群(Ⅰ和Ⅱ):亞群Ⅰ包含ITS-RFLP帶型中Group Ⅱ的4個菌株(KC-01、KC-02、KC-03和KC-06),亞群Ⅱ包含ITS-RFLP帶型中Group Ⅱ的8株菌株(KC-05、KC-12、KC-14、KC-15、KC-16、KC-17、KC-23、KC-24)。
圖3 基于pmrA基因完整序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogenetic tree based on the complete pmrA sequences
基于16S rDNA序列系統(tǒng)發(fā)育分析中(圖4),4株菌株的聚類結(jié)果與上述鑒定結(jié)果(特異性引物PCR、PCR-RFLP和pmrA基因序列分析)不一致,其中,3株被上述結(jié)果鑒定為Pcb的菌株(KC-09、KC-11和KC-26)被聚類至Pcc類群;1株被上述結(jié)果鑒定為Pcb的菌株(KC-10),因擴(kuò)增出2種類型(Type 1和Type 2)的16S rDNA序列被分別聚類至Pcb和Pcc類群。
2株Dickeya菌株為外群;KC-10菌株包含2種16S rDNA序列類型,KC-10 type 1歸至Pcb類群,而KC-10 type 2歸至Pcc類群;標(biāo)記的4株菌株聚類情況與其在基于pmrA基因序列系統(tǒng)發(fā)育樹中聚類情況不同。Two Dickeya strains were used as the out-group;KC-10 strain had two types 16S rDNA sequences,KC-10 type 1 was belong to Pcb cluster,while KC-10 type 2 was belong to Pcc cluster;The four strains signed were placed differently from them in the pmrA sequences phylogenetic tree.
29株P(guān)ectobacterium菌株接種離體大白菜24 h后,軟腐病斑長度經(jīng)單因素方差比較分析發(fā)現(xiàn),不同菌株間致病力存在一定差異。除2株分別來自北京大興和房山的Pcb菌株(KC-18和KC-21)和1株來自北京昌平的Pcc菌株(KC-02)表現(xiàn)出中等致病力外,其余菌株均表現(xiàn)出高致病力;不存在弱毒或無毒菌株(表1)。
近年來,細(xì)菌性軟腐病在葉類蔬菜上普遍發(fā)生[20-22],給葉菜產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本研究的29株病原菌株在形態(tài)學(xué)特征上符合果膠桿菌(Pectobacterium)的描述[10]。根據(jù)其生理生化特征將29株病原菌株確定為Pcc和Pcb。特異性引物PCR、ITS-RFLP和pmrA基因序列分析結(jié)果將這些菌株進(jìn)一步鑒定為17株P(guān)cb菌株和12株P(guān)cc菌株。本研究對這些菌株也進(jìn)行16S rDNA序列系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,其中4株菌株的聚類結(jié)果與上述鑒定結(jié)果(特異性引物PCR、PCR-RFLP和pmrA基因序列分析)不一致。有研究表明,16S rDNA高度保守性不能提供足夠的區(qū)分度和支持率來進(jìn)行軟腐果膠桿菌亞種水平的遺傳多樣性分析[23],而pmrA基因是影響細(xì)菌胞外酶產(chǎn)生的一個重要單拷貝基因,存在于大部分的腸桿菌科(Enterobacteriaceae)細(xì)菌中,且其核酸序列在亞種中具有高度的保守性[24]。本研究中該基因序列分析可用于快菜軟腐病原菌亞種水平的鑒定。另外,本研究中基于該序列構(gòu)建的進(jìn)化樹將Pcc亞種菌株劃分為不同亞群,其結(jié)果與ITS-RFLP帶型分類結(jié)果一致。因此,pmrA比16S rDNA更適用于果膠桿菌亞種內(nèi)鑒定,結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。
與以往報(bào)道的典型Pcc菌株不同的是,本研究發(fā)現(xiàn)了9株非典型Pcc菌株,表現(xiàn)為不具備在37 ℃和7% NaCl條件下生長的能力或不能分解檸檬酸鹽或可微利用D-阿拉伯糖醇、異麥芽酮糖醇和D-麥芽糖,但該結(jié)果與其他報(bào)道中非典型Pcc菌株特征相近[17,25-26]。根據(jù)ITS-RFLP和pmrA基因序列分析結(jié)果,本研究鑒定得到的12株P(guān)cc菌株被進(jìn)一步分為了2個亞群(亞群Ⅰ和亞群Ⅱ);而生理生化分析結(jié)果表明,亞群Ⅰ的菌株均不能利用檸檬酸鹽,而亞群Ⅱ的菌株均能利用檸檬酸鹽,由此說明2個亞群菌株間存在基因組和表型差異。此外,本研究對北京快菜軟腐病原菌株的鑒定結(jié)果與此前對北京白菜類油菜(Brassicarapasubsp.chinensis)軟腐病原菌株的報(bào)道[6]一致,均為Pcc和Pcb亞種,推測這2個亞種可能是引發(fā)北京地區(qū)白菜類蔬菜細(xì)菌性軟腐病的優(yōu)勢種群。最后,為明確北京地區(qū)快菜軟腐菌的致病力,本研究還對分離到的29株P(guān)ectobacterium菌株進(jìn)行了致病力測定,結(jié)果顯示,除3株菌株表現(xiàn)為中等致病力外,其余菌株均表現(xiàn)為強(qiáng)致病力,這與此前報(bào)道的北京地區(qū)油菜和芹菜上分離的軟腐菌株大多表現(xiàn)出高致病力的研究結(jié)果一致[6-7]。
本研究通過對快菜細(xì)菌性軟腐病菌形態(tài)學(xué)、多種生理生化及分子鑒定結(jié)果的綜合分析,明確了引起北京地區(qū)快菜軟腐病的主要致病菌為Pectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorum和Pectobacteriumcarotovorumsubsp.brasiliensis,且多數(shù)菌株具有強(qiáng)致病力。確認(rèn)了pmrA基因序列分析在軟腐果膠桿菌亞種鑒定中的準(zhǔn)確性和適用性。本研究結(jié)果對快菜軟腐病的綜合防治具有重要意義。
參考文獻(xiàn):
[1] Davidsson P R, Kariola T, Niemi O, et al. Pathogenicity of and plant immunity to soft rot pectobacteria[J]. Front Plant Science,2013, 4:191.
[2] Nabhan S,Wydra K,Linde M,et al. The use of two complementary DNA assays,AFLP and MLSA,for epidemic and phylogenetic studies of pectolytic enterobacterial strains with focus on the heterogeneous speciesPectobacteriumcarotovorum[J]. Plant Pathology,2012,61(3):498-508.
[3] Alvarado I C M,Michereff S J,Mariano R L R,et al. Characterization and variability of soft rot-causing bacteria in Chinese cabbage in north eastern Brazil[J]. Journal of Plant Pathology,2011,93(1):173-181.
[4] Shim H, Myung I S, Hong S K, et al. Outbreak of soft rot disease caused byPectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorumof Chinese cabbage followed by climate change in highlands of Korea[C]. Korea:Society for plant pathology in China Annual Academic Symposium, 2011: 218-221.
[5] Waleron M,Waleron K,Lojkowska E. First report ofPectobacteriumcarotovorumsubsp.Brasiliensecausing soft rot on potato and other vegetables in Poland[J]. Plant Disease,2015,99(9):1271.
[6] 胡娜娜,李 超,王 茜,等. 北京地區(qū)油菜軟腐病病原菌的鑒定[J]. 微生物學(xué)報(bào),2015,55(10):1253-1263.
[7] 田 宇,馬亞麗,何付新,等. 北京地區(qū)芹菜細(xì)菌性軟腐病菌鑒定及其致病力分析[J]. 植物病理學(xué)報(bào),2016,46(4):433-442.
[8] 晉知文,宋加偉,謝學(xué)文,等. 芹菜細(xì)菌性軟腐病病原的分離與鑒定[J]. 植物病理學(xué)報(bào), 2016, 46(3): 304-312.
[9] 方中達(dá). 植病研究方法[M]. 北京:農(nóng)業(yè)出版社,1979:165-211.
[10] Schaad N W. Laboratory guide for identification of plant pathogenic bacteria[M]. St. Paul: APS Press , 2001.
[11] Mukherjee A,Cui Y,Ma W,et al.hexAofErwiniacarotovorassp.carotovorastrain Ecc71 negatively regulates production of RpoS and rsmB RNA,a global regulator of extracellular proteins,plant virulence and the quorum-sensing signal,N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone[J]. Environmental Microbiology,2000,2(2):203-215.
[12] Zhu L,Xie H,Chen S,et al. Rapid isolation,identification and phylogenetic analysis ofPectobacteriumcarotovorumssp. [J]. Journal of Plant Pathology,2010,92(2):479-483.
[13] Darrasse A,Priou S,Kotoujansky A,et al. PCR and restriction fragment length polymorphism of apelgene as a tool to identifyErwiniacarotovorain relation to potato diseases[J]. Applied and Environmental Microbiology,1994,60(5):1437-1443.
[14] Duarte V,de Boer S H,Ward L J,et al. Characterization of atypicalErwiniacarotovorastrains causing blackleg of potato in Brazil[J]. Journal of Applied Microbiology,2004,96(3):535-545.
[15] Toth I K,Avrova A O,Hyman L J. Rapid identification and differentiation of the soft rot erwinias by 16S-23S intergenic transcribed spacer-PCR and restriction fragment length polymorphism analyses[J]. Applied and Environmental Microbiology,2001,67(9):4070-4076.
[16] Kettani-Halabi M,Terta M,Amdan M,et al. An easy,simple inexpensive test for the specific detection ofPectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorumbased on sequence analysis of thepmrAgene[J]. BMC Microbiology,2013,13(1):176.
[17] Terta M,El Karkouri A,Mhand R,et al. Occurrence ofPectobacteriumcarotovorumstrains isolated from potato soft rot in Morocco[J]. Cellular and Molecular Biology,2010,56(S1):OL1324-OL1333.
[18] Gardan L,Gouy C,Christen R,et al. Elevation of three subspecies ofPectobacteriumcarotovorumto species level:Pectobacteriumatrosepticumsp. nov.,Pectobacteriumbetavasculorumsp. nov. andPectobacteriumwasabiaesp. nov[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology,2003,53(Pt 2):381-391.
[19] Perombelon M C, van der Wolf J M. Methods for the detection and quantification ofErwiniacarotovorasubsp.atrosepticaon potatoes suitable for commercial use: a laboratory manual[M]. Invergowrie, Dundee, Scotland: Scottish Crop Research Institute, 2002.
[20] Faquihi H,Terta M,Amdan M,et al. Phenotypic and genotypic diversity ofPectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorumcausing soft rot disease of potatoes in Morocco[J]. European Journal of Plant Pathology,2015,143(4):801-811.
[21] Meng X, Chai A, Li B, et al. Emergence of bacterial soft rot in cucumber caused byPectobacteriumcarotovorumsubsp.brasiliensein China[J]. Plant Disease, 2017, 101(2): 279-287.
[22] Queiroz M F, Gama M A S, Mariano R L R, et al. First report of soft rot in kale caused byPectobacteriumcarotovorumsubsp.brasiliensisin Brazil[J]. Plant Disease, 2017,101: 1542.
[23] Staley J T. The bacterial species dilemma and the genomic-phylogenetic species concept[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B,Biological Sciences,2006,361(1475):1899-1909.
[24] W?sten M M,Groisman E A. Molecular characterization of thePmrAregulon[J]. The Journal of Biological Chemistry,1999,274(38):27185-27190.
[25] Nabhan S,De Boer S H,Maiss E,et al. Taxonomic relatedness betweenPectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorum,Pectobacteriumcarotovorumsubsp.odoriferumandPectobacteriumcarotovorumsubsp.brasiliensesubsp. nov[J]. Journal of Applied Microbiology,2012,113(4):904-913.
[26] Baghaee-Ravari S,Rahimian H,Shams-Bakhsh M,et al. Characterization ofPectobacteriumspecies from Iran using biochemical and molecular methods[J]. European Journal of Plant Pathology,2011,129(3):413-425.