張建強(qiáng),吳康莉,張曉夢(mèng),李佳佳,Abdramane Salah Zene,漆永紅,沈 彤,,田永強(qiáng),
(1.蘭州交通大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院,蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)研究院,蘭州 730070;3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所,蘭州 730070)
芹菜(Apiumgraveolens)屬傘形科芹屬植物,因耐低溫是西部地區(qū)高原夏菜主要蔬菜栽培品種。近年來,定西市安定區(qū)高原夏菜發(fā)展迅速,芹菜是最主要的栽培品種之一[1]。因芹菜市場(chǎng)需求大,種植面積逐年增大和連作種植導(dǎo)致病蟲害高發(fā),尤其芹菜葉斑病是主要防治的病害之一,發(fā)病普遍,,一旦發(fā)生往往蔓延較快,從而給芹菜種植業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p失。據(jù)文獻(xiàn)記載,芹菜上發(fā)生的葉斑病主要有鏈格孢葉斑病(Alternariaspp.)[2-3]、尾孢葉斑病(Cercosporaapii)[4]、灰霉腐爛病(Botrytiscinerea)、菌核病(Sclerotiniasclerotiorum)、葉點(diǎn)霉葉斑病(Phyllostictaapii)[5-6]、斑枯病(Septoriaapiicola)[7]、細(xì)菌葉斑病(Pseudomonascichorii)[5]及細(xì)菌葉枯病(P.viridiflava)等[8]。在不同地區(qū)或不同品種上,芹菜病害發(fā)生種類和嚴(yán)重程度存在差異。
甘肅省定西市芹菜葉斑病發(fā)生比較普遍,但沒有對(duì)其病原菌開展分離鑒定、生物學(xué)特性、藥劑篩選和生物防治方面的深入研究工作,導(dǎo)致用藥不科學(xué),防治效果不佳,給農(nóng)戶造成極大的損失。對(duì)該病生物防治方面也未見報(bào)道。本試驗(yàn)通過芹菜葉斑病病原菌的分離和鑒定、生物學(xué)特性及生物防治藥劑的篩選研究,以期進(jìn)一步明確芹菜葉斑病的病原菌、病原菌生物學(xué)特性并篩選出生物防治菌劑,為該病害的大田防治提供理論參考。
1.1.1 樣品采集 2019年9月在甘肅省定西市安定區(qū)內(nèi)官營鎮(zhèn)(經(jīng)度為104°24′41.9″,緯度為35°30′51.3″)蔬菜栽培地采集典型染病芹菜(品種為‘皇妃芹菜’)葉片,共采集10份樣品。
1.1.2 供試生防菌株 選用蘭州交通大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室保藏的5株生防菌株,即蠟樣芽胞桿菌Bacilluscereus(4-2-1)、貝萊斯芽孢桿菌B.velezensis(F3A)、甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌B.methylotrophicus(9-2-1)、解淀粉芽孢桿菌B.amyloliquefaciens(SL1)、熒光假單胞菌Pseudomonasfluorescens(YG)。采用平板對(duì)峙培養(yǎng)法進(jìn)行拮抗篩選試驗(yàn)。
1.2.1 病原菌的分離與純化 采用常規(guī)組織分離法[9]進(jìn)行病菌的分離,切取葉片病健交界處 3~4 mm×2~3 mm的組織,在70%的酒精中消毒5秒后用無菌水清洗3次,用滅菌濾紙拭干,接種于PDA培養(yǎng)基,在25 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)約7 d時(shí),產(chǎn)生孢子后進(jìn)行單孢分離和純化培養(yǎng)[10-11],將純化好的菌種轉(zhuǎn)接PDA斜面保存。
1.2.2 病原菌的致病性測(cè)定 根據(jù)柯赫氏法則,進(jìn)行致病性測(cè)定。在菌落邊緣用直徑4 mm的打孔器打取菌餅,選取10葉齡皇妃芹菜葉片經(jīng)酒精消毒和無菌針刺后,將菌餅貼于葉片的刺傷部位,每個(gè)菌株作3次重復(fù)接種,以刺傷但不接菌餅為空白對(duì)照。將接種后葉片置于已滅菌且底部加有濕濾紙片的平板25 ℃保濕培養(yǎng),每天觀察發(fā)病情況。5 d后對(duì)發(fā)病的葉片進(jìn)行病菌的再分離培養(yǎng),觀察是否為同一種真菌侵染。
1.2.3 病原菌的形態(tài)鑒定 將致病菌接種在PDA平板上,在25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 d后觀察菌落特征,待產(chǎn)孢后,在顯微鏡下觀察分生孢子形態(tài)特征。
1.2.4 病原菌的基因序列分析 DNA提取使用試劑盒(生工生物工程(上海)股份有限公司),刮取平板上新鮮菌絲體提取基因組DNA,分別選用ITS、GAPDH、TEF1、RPB2、Altal、endoPG和OPA10-2等引物(表1)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系25 μL,PCR擴(kuò)增的反應(yīng)參數(shù):94 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性45s,58 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,共30個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸5 min。擴(kuò)增產(chǎn)物送深圳華大基因公司測(cè)序,測(cè)序結(jié)果提交GenBank,用BLAST進(jìn)行比對(duì)分析,利用MEGA 6.0軟件Neighbor Joining方法進(jìn)行聚類,選擇1 000個(gè)重復(fù)作Bootstrap值分析建立系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.3.1 碳氮源對(duì)病菌菌絲體生長的影響 以查氏培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基(蔗糖30 g/L、瓊脂20 g/L、NaNO32 g/L、KH2PO41 g/L、MgSO4· 7H2O 0.5 g/L、KCl 0.5 g/L、FeSO40.01 g/L),分別用等質(zhì)量的葡萄糖、乳糖、蔗糖、淀粉、玉米粉替換基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的碳源;分別用等質(zhì)量的牛肉膏、蛋白胨、硝酸鉀、硝酸銨、酵母浸粉替換基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的氮源,分別配制成不同碳源、氮源培養(yǎng)基,接菌后置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中,于7 d后利用十字交叉法測(cè)量菌落直徑,每個(gè)處理作5次重復(fù)[17]。
1.3.2 溫度、pH對(duì)病菌菌絲體生長的影響 設(shè)置培養(yǎng)基pH分別為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、 7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12、12.5共16個(gè)不同的梯度,將病原菌接種于不同pH的PDA平板上,于25 ℃恒溫培養(yǎng)。設(shè)置溫度為5、10、15、20、25、30、35 和 40 ℃ 8個(gè)溫度梯度,病原菌接種于PDA平板上培養(yǎng)。7 d后利用十字交叉法測(cè)量不同pH和不同溫度條件下的菌落直徑,每個(gè)處理作 5 次重復(fù)[18]。
1.3.3 病原菌分生孢子萌發(fā)時(shí)間的測(cè)定 采用瓊脂培養(yǎng)法[19],做一定改進(jìn),取滅菌載玻片,在滅菌冷卻至約45 ℃的1.5%水瓊脂培養(yǎng)基中沾一下,待水瓊脂凝成薄層后,去掉一面水瓊脂培養(yǎng)基,將有瓊脂培養(yǎng)基的面朝上,置于培養(yǎng)皿中的“U”形玻棒,吸取10 μL孢子數(shù)為1.5×106的病菌孢子懸浮液均勻涂抹在水瓊脂平板上,部加浸水的濾紙片保濕,置于25 ℃培養(yǎng),分別在2、4、6、8、10、12、14和16 h時(shí)鏡檢孢子萌發(fā)率。每個(gè)處理重復(fù)3次。
1.3.4 溫度、濕度、pH對(duì)病原菌分生孢子萌發(fā)的影響 配制1.5%水瓊脂培養(yǎng)基,將pH調(diào)節(jié)為 5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0共8個(gè)梯度;溫度設(shè)置5、10、15、20、25、30、35 和 40 ℃共8個(gè)梯度;濕度采用張佳星等[20]的方法,每個(gè)處理重復(fù)3次。孢子萌發(fā)保濕培養(yǎng)10 h后鏡檢,測(cè)定不同溫度、濕度和pH條件下的孢子萌發(fā)率。
1.3.5 光照對(duì)病菌菌絲體生長的影響 將菌餅接種于PDA平板上,分別設(shè)置全光照、全黑暗和光暗交替 (12L/12D)3個(gè)處理,25 ℃恒溫培養(yǎng), 5 d后測(cè)量菌落直徑,比較不同光照處理對(duì)菌絲體生長的影響,每個(gè)處理作3次重復(fù)。
1.3.6 光照對(duì)病菌孢子萌發(fā)的影響 將10 μL孢子數(shù)1.5×106的病菌孢子懸浮液涂布于水瓊脂平板,設(shè)置全光照、全黑暗和光暗交替(12L/12D)3個(gè)處理,置于25 ℃保濕培養(yǎng),10 h后鏡檢萌發(fā)率,每個(gè)處理作3次重復(fù)。
1.3.7 病原菌菌絲體與孢子致死溫度的測(cè)定 將病原菌菌餅和孢子數(shù)為1.5×106的孢子懸浮液分別于50 ℃、55 ℃、60 ℃和65 ℃4個(gè)溫度下水浴處理10 min,迅速冷卻至25 ℃培養(yǎng)。10 h后鏡檢孢子萌發(fā)情況, 2 d后觀察菌落生長情況。每個(gè)處理3次重復(fù)。
表1 研究中所用的引物序列Table 1 Primer sequences used in the study
采用平板對(duì)峙培養(yǎng)法[21]。用直徑5 mm的打孔器打取菌餅,接種于PDA平板中央。同時(shí)在其夾角呈90°的四周、間距靶標(biāo)病菌3.0 cm處分別接種5種生防菌(菌株4-2-1、菌株F3A、菌株9-2-1、菌株SL1、菌株YG),25 ℃恒溫培養(yǎng)6 d后測(cè)定病菌菌落直徑,并計(jì)算生長抑制率,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。并挑取抑菌率最高的平板病菌菌落邊緣,用顯微鏡觀察菌絲形態(tài)的變化。
抑制率=(對(duì)照組菌落直徑-試驗(yàn)組菌落直徑)/對(duì)照組菌落直徑×100%
利用Excel2003和SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和Origin8.0軟件作圖,并應(yīng)用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
本試驗(yàn)調(diào)查了甘肅省定西市安定區(qū)芹菜葉斑病害,一般從老葉葉背開始發(fā)病,嚴(yán)重時(shí)幼葉發(fā)病,高溫高濕的環(huán)境有利于發(fā)病。最初的葉片癥狀是許多淺棕色小斑點(diǎn),圓形或不規(guī)則形,病癥后期病斑會(huì)逐漸增多,并且多個(gè)病斑相互匯合成不規(guī)則形的大褐色病斑,嚴(yán)重時(shí)整片葉片發(fā)黃,枯萎死亡。該病害發(fā)生嚴(yán)重時(shí)感染芹菜莖部,與葉片癥狀一致(圖1)。該病害發(fā)生比較普遍,發(fā)生率為25% ~ 45%,且傳播速度快,給當(dāng)?shù)厍鄄松a(chǎn)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
通過常規(guī)分離法得到1株真菌Q1。依據(jù)柯赫氏法則開展回接試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)刺傷接種24 h后可在葉片上出現(xiàn)水漬狀淺褐色小斑點(diǎn),后發(fā)展成近圓形或不規(guī)則形壞死病斑,病斑呈黃褐色至深褐色,邊緣清晰,并著生少量灰色菌絲,隨后逐漸擴(kuò)大成褐色典型病斑。7 d后芹菜葉片上的褐色病斑逐漸擴(kuò)大并壞死,而對(duì)照組均未發(fā)病(圖1)。對(duì)人工接種發(fā)病組織再次病菌分離,成功獲得了原分離病菌Q1,證明該菌株為芹菜葉斑病的 病原。
2.3.1 病原菌形態(tài)特征 病原菌在PDA平板生長6 d時(shí),菌落直徑為8 cm,菌落初呈墨綠色,后呈黑灰色,中央灰白色邊緣為灰橄欖色,菌絲濃密,絨毛狀;菌絲無色,有隔;分生孢子梗直或彎曲,少有分支;分生孢子單生或短鏈生,倒棍棒狀或卵形,黃褐色至青褐色,具橫膈膜3~7個(gè),縱、斜膈膜1~3個(gè),孢子長20.0~50.0 μm,寬 3.5~14.0 μm,并參照文獻(xiàn)進(jìn)行形態(tài)鑒定[22-27],確定菌株Q1為細(xì)極鏈格孢(A.tenuissima) (圖2)。
2.3.2 病原菌的基因序列分析 利用ITS、GAPDH、TEF1、RPB2、Altal、endoPG、OPA10-2等7個(gè)基因擴(kuò)增和測(cè)序,在NCBI進(jìn)行 BLAST比對(duì)分析,該菌屬于Alternaria屬,將基因序列提交GenBank獲得登錄號(hào)分別為:MN046364,MW016006,MW016001, MW016002,MW016 003,MW016004,MW016005。參照 Weir等[28]的研究方法,從GenBank中選取21個(gè)菌株的序列作為參照序列,利用7個(gè)基因序列,結(jié)合鏈格孢菌屬其他同屬菌株,以鄰接法共同構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)。該系統(tǒng)發(fā)育樹中菌株Q1的ITS基因與細(xì)極鏈格孢(A.tenuissima)和交鏈鏈格孢(A.alternata)聚在一個(gè)獨(dú)立進(jìn)化分支,同源性相近,無法將其區(qū)分。而菌株Q1的GAPDH、TEF1、Altal、OPA10-2和endoPG 5段基因均與細(xì)極鏈格孢(A.tenuissima)在系統(tǒng)發(fā)育樹上聚在一起。并參考楊麗萍等[29],Zhao等[26]運(yùn)用多基因鑒定細(xì)極鏈格孢的分析方法,最終確定菌株Q1為細(xì)極鏈格孢(A.tenuissima)。
2.4.1 碳、氮源對(duì)病菌菌絲體生長的影響 碳、氮源對(duì)病菌菌絲體生長有影響(圖4),玉米粉為碳源的培養(yǎng)基生長最快,菌絲體生長濃密,7 d菌落直徑達(dá)8.5 cm;其他培養(yǎng)基的利用相對(duì)較低。該菌在以硝酸鉀為氮源的培養(yǎng)基上生長最快,7 d時(shí)菌落直徑達(dá)6.0 cm,但菌落比較稀疏;蛋白胨次之,7 d時(shí)菌落直徑達(dá)5.6 cm,菌落較厚;其他培養(yǎng)基的利用率較低,菌絲體生長緩慢。
2.4.2 溫度、pH對(duì)菌絲體生長的影響 不同溫度和pH處理對(duì)病原菌菌絲體生長的影響存在差異(圖5)。該菌在5~40 ℃均可生長,其中25 ℃生長最快,7 d菌落直徑達(dá)8.4 cm。該病菌在pH 5~12.5之間均可生長,pH 7.5時(shí)菌絲體生長 最快。
2.4.3 病原菌分生孢子的萌發(fā)率 結(jié)果如表2所示,處理2 h病菌孢子開始萌發(fā)產(chǎn)生芽管,6 h時(shí)孢子大量萌發(fā),芽管不斷伸長;而16 h萌發(fā)率達(dá)到最高,達(dá)98.6%。
表2 病原菌孢子在不同時(shí)間的萌發(fā)率Table 2 Germination rate of pathogen spores at different time
2.4.4 溫度、濕度、pH對(duì)病原菌分生孢子萌發(fā)的影響 在處理10 h時(shí)鏡檢,病菌分生孢子在 5~35 ℃之間的萌發(fā)率均達(dá)18.6%以上,在10 ℃以上隨溫度增加,其萌發(fā)率顯著增加,最佳萌發(fā)溫度為25 ℃,萌發(fā)率達(dá)94.6%,但在40 ℃時(shí)其孢子萌發(fā)率顯著下降6%。病原菌孢子在pH4-12范圍內(nèi)均可萌發(fā),但在pH 7時(shí)萌發(fā)率達(dá)90.6%;在相對(duì)濕度為100%和自由水條件下萌發(fā)率分別為96.5%和98.1%,與其他處理存在顯著差異(圖6)。
2.4.5 光照對(duì)病原菌菌絲體生長和孢子萌發(fā)的影響 連續(xù)光照、光暗交替和連續(xù)黑暗條件下病菌菌絲體生長存在顯著性差異(表3)。在連續(xù)光照條件下菌絲體生長最好,4 d菌落直徑達(dá)5.5 cm;而在連續(xù)黑暗條件下菌絲體生長最差。分生孢子在全光照、光暗交替及全黑暗條件下差異不顯著,表明光照對(duì)分生孢子的萌發(fā)無顯著影響。
表3 光照對(duì)病菌菌絲體生長和孢子萌發(fā)率的影響Table 3 Effects of light on mycelium growth and spore germination rate
2.4.6 病原菌菌絲體及孢子致死溫度的測(cè)定 菌株Q1培養(yǎng)2 d觀察,在50 ℃水浴處理10 min后菌絲仍可生長,在55 ℃及更高溫度處理后不再生長,表明該菌致死溫度為55 ℃ 10 min。分生孢子在50 ℃水浴處理10 min后仍能萌發(fā),但在55 ℃及其以上溫度處理10 min則不再萌發(fā),結(jié)果表明分生孢子的致死溫度為 55 ℃ 10 min。
以5種生防菌(菌株4-2-1、菌株F3A、菌株9-2-1、菌株SL1、菌株YG)對(duì)芹菜葉斑病菌作對(duì)峙培養(yǎng)(圖7)。6 d后發(fā)現(xiàn)5種供試菌均對(duì)該病菌具有抑菌活性(表4),其中解淀粉芽孢桿菌SL1抑菌率最高,達(dá)到69.80%。與對(duì)照組相比,病菌生長受抑制后菌絲膨大變粗或者皺縮變細(xì),分枝增多,節(jié)間縮短,出現(xiàn)囊泡狀畸形,并伴有細(xì)胞壁破裂等現(xiàn)象(圖8),表明供試生防菌可產(chǎn)生抑菌活性物質(zhì)。
表4 供試生防菌對(duì)病菌菌絲體生長的抑制效果Table 4 Inhibitory effect of biocontrol bacteria on the growth of mycelium
芹菜葉斑病是芹菜生產(chǎn)中普遍發(fā)生的一種主要病害,在澳大利亞、加拿大、巴西、古巴、幾內(nèi)亞、丹麥和意大利等均有報(bào)道。我國對(duì)芹菜鏈格孢葉斑病缺乏深入調(diào)查研究,本試驗(yàn)明確了該病害的田間侵染部位和發(fā)病癥狀,以老葉先發(fā)病,病斑多散生,大小不等,直徑0.2~0.8cm,深褐色,邊緣清晰,病斑中間有稀疏霉層,且易開裂;保濕培養(yǎng)易產(chǎn)生大量倒棍棒狀的分生孢子。近年來,隨著甘肅省芹菜種植面積的不斷增加,芹菜葉斑病的發(fā)生呈逐漸加重趨勢(shì),研究葉斑病病原菌的生物學(xué)特性和生物防治具有中藥意義。
明確病害的病原是研究其發(fā)生規(guī)律和制定有效防治措施的前提。據(jù)報(bào)道,鏈格孢菌是常見的植物葉斑類病害的主要病原菌[30],王瑩瑩等[31]對(duì)中國14個(gè)省份蔬菜主產(chǎn)區(qū)的病害調(diào)查發(fā)現(xiàn),8個(gè)種的鏈格孢菌可侵染茄科、葫蘆科、十字花科和百合科的32種寄主植物。張?zhí)煊钤谇鄄松厦枋鯝.burnsii,但指出依其形態(tài)應(yīng)屬于A.tenuissima群。報(bào)道稱芹菜上發(fā)生的葉斑病主要有鏈格孢葉斑病(Alternariaspp.)[32],該報(bào)道確定了芹菜葉斑病病菌為鏈格孢屬,僅依據(jù)形態(tài)特征確定為巴恩斯鏈格孢(A.burnsii),但沒有開展分子生物學(xué)鑒定和病原生物學(xué)特性研究。本研究通過病原菌形態(tài)學(xué)特征和多基因分子序列鑒定,首次明確了引起甘肅省定西市芹菜葉斑病害的病原為細(xì)極鏈格孢(A.tenuissima),因此,將該病害稱為芹菜鏈孢菌葉斑病。
病原菌生物學(xué)特性的研究為防治藥劑的篩選和田間管理提供理論依據(jù)。本研究通過對(duì)芹菜鏈格孢葉斑病菌生物學(xué)特性的研究,發(fā)現(xiàn)該病菌菌絲體生長和孢子萌發(fā)的最適溫度均為25 ℃,pH為中性、環(huán)境高濕時(shí)有利于菌絲體生長和孢子萌發(fā)。該病菌可利用多種碳氮源,但以玉米粉和硝酸鉀為最佳碳源和氮源。光照更有利于菌絲體生長,但對(duì)孢子萌發(fā)無顯著影響,菌絲和孢子的致死溫度均為55 ℃處理10 min。這些特性說明芹菜鏈孢菌葉斑病在低溫高濕易發(fā)病,與文獻(xiàn)田間調(diào)查結(jié)果一致,在芹菜栽培期7-8月份易發(fā)病,特別是20~30 ℃,高溫多雨、露水或澆水頻繁時(shí)易侵染。因此,這個(gè)階段也是防治葉斑病的關(guān)鍵時(shí)期[33-35]。
目前,芹菜生產(chǎn)上對(duì)葉斑病的防治主要以化學(xué)藥劑為主,但過量施用化學(xué)藥劑可造成抗藥性增加、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留和水土污染等食品安全和環(huán)境污染問題,基于蔬菜對(duì)農(nóng)藥要求的特殊性,篩選利用高效和環(huán)境友好的生防菌可有效解決化學(xué)農(nóng)藥帶來的弊端。利用枯草芽孢桿菌防治三葉木通葉斑病(A.tenuissima)可顯著抑制病害發(fā)生[35],俞家楠等[36]研究表明環(huán)狀芽孢桿菌對(duì)銀杏葉斑病細(xì)極鏈格孢的抑菌效果較好,抑菌率高達(dá) 80.88%。本研究通過生防菌株拮抗篩選,發(fā)現(xiàn)蠟樣芽胞桿菌4-2-1、貝萊斯芽孢桿菌F3A、甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌9-2-1、解淀粉芽孢桿菌SL1、熒光假單胞菌YG等5種生防菌均對(duì)芹菜葉斑病害的病原細(xì)極鏈格孢具有較好的生防效果,其中解淀粉芽孢桿菌的抑菌效果最好,抑菌率達(dá)到69.80%,具有開發(fā)生物防治菌劑的潛力。關(guān)于解淀粉芽孢桿菌對(duì)芹菜葉斑病的田間防治效果有待于進(jìn)一步研究。