崔明秦,張東華,閆曉慧,洪英娣,馬煥成 ,伍建榕,*,劉 麗*
(1. 云南省高校森林災(zāi)害預(yù)警控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護(hù)學(xué)院,昆明650224;2. 西南地區(qū)生物多樣性保育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,昆明650224)
油茶Camellia oleifera,隸屬于山茶目山茶科Theaceae山茶屬Camellia,為常綠小喬木或灌木,是中國(guó)特有的木本油料樹(shù)種,具有較高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值[1]。根據(jù)林業(yè)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)截止2020年我國(guó)油茶種植面積約達(dá)7175萬(wàn)畝,油茶籽產(chǎn)量314萬(wàn)噸,茶油產(chǎn)量約72.1噸。油茶炭疽病是油茶栽培過(guò)程中最常見(jiàn)的真菌性病害,在各大油茶產(chǎn)區(qū)普遍發(fā)生[2]。在不同栽培地區(qū)該病的主要致病菌各不相同,主要包括炭疽菌屬下的果生炭疽Colletotrichum fructicola、山茶炭疽C. camelliae、膠孢炭疽C. gloeosporioides、暹羅炭疽C.siamense等[3]。病菌以分生孢子借助雨水傳播,可進(jìn)行多次再侵染[4],并依次危害油茶葉片、枝條及果實(shí),造成油茶大面積落葉、落果、落花和枯枝,導(dǎo)致油茶減產(chǎn)20%~30%,給油茶產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[5]。
植物內(nèi)生菌是指生活史中一定階段或全部階段定殖于植物器官、組織內(nèi)部以及細(xì)胞間隙的一類微生物,主要包括內(nèi)生真菌、細(xì)菌和放線菌。內(nèi)生菌在與宿主共生的過(guò)程中,可通過(guò)為宿主植物提供所需的部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和激素來(lái)調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[6],亦可合成和分泌部分抗菌素和酶等活性物質(zhì)進(jìn)而提高植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[7]。相對(duì)于宿主,植物微生物群落的快速進(jìn)化大大加強(qiáng)了這種適應(yīng)性[8]。同時(shí)內(nèi)生菌還廣泛參與宿主次生代謝產(chǎn)物的合成與轉(zhuǎn)化,對(duì)宿主植物的種群結(jié)構(gòu)、生存、進(jìn)化和健康狀態(tài)產(chǎn)生重大影響[9,10]。近年來(lái),越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn),植物受到病原侵染后,會(huì)招募有益微生物為植物提供保護(hù)[11]。如基于系統(tǒng)發(fā)育芯片法研究發(fā)現(xiàn),擬南芥受霜霉菌Hyaloperonospora arabidopsidis侵染后會(huì)誘導(dǎo)根際土壤中特定細(xì)菌的富集,從而形成可抑病的土壤[12]。甜菜受立枯病菌Rhizoctonia solani侵染后會(huì)富集幾種根系內(nèi)生細(xì)菌并激活一些生物合成基因簇,從而抑制疾病[13]。相比于備受關(guān)注的植物根部,作為植物全功能體一部分的“葉圍”在植物抗逆過(guò)程中的作用同樣不容忽視。
葉片是植物獲取營(yíng)養(yǎng)和能量代謝的重要場(chǎng)所,其內(nèi)生微生物在植物抗病蟲(chóng)和抗逆等方面發(fā)揮著重要的作用[14]。Chen等[15]以擬南芥自發(fā)壞死突變體為材料驗(yàn)證了葉片內(nèi)生細(xì)菌的穩(wěn)態(tài)與植物健康息息相關(guān),提出內(nèi)生細(xì)菌群落的失衡是植物葉片表現(xiàn)出類似病害表型的原因。Yang等[16]研究發(fā)現(xiàn)水稻白葉枯抗病品種的葉片中拮抗白葉枯病菌的內(nèi)生細(xì)菌豐度更高。可見(jiàn),植物葉片內(nèi)生細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與植物病害的抗、感性密切相關(guān)。因此,了解植物受到病原浸染后,植物內(nèi)生細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化,對(duì)病害防治至關(guān)重要。本研究基于高通量測(cè)序技術(shù)解析油茶炭疽病侵染后對(duì)油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性的影響,并對(duì)葉片內(nèi)生細(xì)菌群落功能進(jìn)行預(yù)測(cè)。以期揭示油茶葉片內(nèi)生微生物群落對(duì)炭疽病的應(yīng)答規(guī)律,為進(jìn)一步探討油茶炭疽病的生防策略奠定基礎(chǔ)。
樣品于2021年9月采自云南省德宏傣族景頗族自治州油茶栽培基地。該地區(qū)為南亞熱帶季風(fēng)氣候類型,雨量充沛,干冷同季,雨熱同期;年溫差小,有霜日少,無(wú)霜期長(zhǎng)。年平均氣溫 18.4 ℃~20.3 ℃,年溫差 11.8 ℃~12.8 ℃。油茶品種為云南本地品種(白花油茶)。試驗(yàn)選擇在同一地塊分別采集炭疽病發(fā)病葉片和健康植株的健康葉片2組樣本,已有試驗(yàn)證明該栽培區(qū)油茶炭疽病原主要為C. fructicola和C.siamense[17]。其中發(fā)病組命名為C組,未病組命名為H組,每組6個(gè)重復(fù)樣本,共12個(gè)樣本。采集后裝入密封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行表面消毒。表面消毒流程為75%乙醇1 min,無(wú)菌水沖洗1次,用5%(有效氯)次氯酸鈉溶液表面消毒5 min,無(wú)菌水沖洗3次。收集最后一次沖洗的無(wú)菌水并涂布于NA培養(yǎng)基,作為對(duì)照驗(yàn)證表面消毒效果。
將表面消毒的葉片無(wú)菌剪為約1 cm×0.5 cm小塊。采用E.Z.N.A? Mag-Bind Soil DNA Kit試劑盒(OMEGA公司),提取葉片總基因組DNA,用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA完整性,并用Qubit3.0定量檢測(cè)DNA樣本濃度。
將提取的總 DNA 作為模板,以 341F(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′),805R(5′-GACTACHVGGGTA TCTAATCC-3′)為引物對(duì)16SV3-V4區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系為(200 μL)。
第一輪PCR反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃ 30 s,45 ℃ 20 s,65 ℃ 30 s,5個(gè)循環(huán);94 ℃ 20 s,55 ℃ 20 s,72 ℃ 30 s,20個(gè)循環(huán);72 ℃ 5 min,10 ℃。第二輪擴(kuò)增:95 ℃ 3 min;94 ℃ 20 s,55 ℃20 s,72 ℃ 30 s,5 個(gè)循環(huán);72 ℃ 5 min,10 ℃。
反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò) 2%瓊脂凝膠電泳檢測(cè)。為了得到均勻的長(zhǎng)簇效果和高質(zhì)量的測(cè)序數(shù)據(jù),使用 Qubit3.0熒光定量?jī)x進(jìn)行濃度測(cè)定。PCR擴(kuò)增及測(cè)序工作由生物工程(上海)股份有限公司完成。
原始數(shù)據(jù)通過(guò)cutadapt 1.18去除引物接頭序列,使用PEAR 0.9.8和PRINSEQ 0.20.4進(jìn)行過(guò)濾優(yōu)化和序列拼接得到有效序列。有效序列用Usearch 11.0.667基于97%的相似水平下對(duì)序列進(jìn)行OTU聚類并進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析(葉綠體、線粒體序列通過(guò)生工生物工程股份有限公司自寫(xiě)Python腳本進(jìn)行剔除)。利用RDP classifier 2.12對(duì)比RDP數(shù)據(jù)進(jìn)行物種注釋和分類?;贠TU豐度信息,利用mothur 1.43.0做rarefaction分析,計(jì)算多樣性指數(shù)(ACE、Chao1、shannon、Simpson)。并通過(guò)IBM SPSS Statistic 25.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。利用R 3.6.0制作曲線圖、PCA圖、物種相對(duì)豐度圖。使用phyloseq 1.30.0根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生進(jìn)化樹(shù)得到樣品間距離矩陣進(jìn)行主成分分析(基于Bray-Curtis距離算法)。使用STAMP 2.1.3進(jìn)行差異分析,采用Welch's t-test檢驗(yàn)。使用BugBase 0.1.0分析微生物組樣品表型,對(duì)微生物群落進(jìn)行表型分類。
對(duì)12個(gè)樣本內(nèi)生菌進(jìn)行測(cè)序,共獲得高質(zhì)量質(zhì)控序列1255996條,平均長(zhǎng)度407.25 bp,序列在97%的相似度水平下進(jìn)行聚類共獲得 649個(gè)OTU。
通過(guò)稀釋曲線可以看出,隨著測(cè)序深度的增加,各部位樣本的稀釋曲線斜率趨于平緩(圖1),說(shuō)明本次測(cè)序數(shù)據(jù)量足夠。
圖1 油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌測(cè)序稀釋曲線Fig. 1 Rarefaction curve of endophytic bacteria sequencing in Camellia oleifera leaves
表1可以看出云南油茶葉片所有樣本的覆蓋度均在98%以上,表明測(cè)序數(shù)據(jù)可以真實(shí)反應(yīng)病、健葉片樣本內(nèi)生細(xì)菌菌群多樣性;其中,感病組內(nèi)生細(xì)菌Chao1、ACE指數(shù)顯著高于健康組(P<0.05),Simpson和Shannon指數(shù)病、健葉片間無(wú)顯著差異(P>0.05)。說(shuō)明炭疽菌侵染后顯著提高了油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌的豐度,但對(duì)多樣性無(wú)顯著影響。
表1 油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌多樣性指數(shù)Table 1 Diversity indices of endophytic bacteria in Camellia oleifera leaves
為了揭示樣本的組間差異,基于Bray-Curtis距離進(jìn)行了PCA分析(圖2)。結(jié)果表明,PC1和PC2的樣本差異貢獻(xiàn)率分別為39.72%和14.16%。組內(nèi)相似程度大于組間,說(shuō)明炭疽菌侵染后使油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌群落構(gòu)成趨于相近。
圖2 云南油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌OTU水平上PCA分析Fig. 2 PCA analysis of endophytic bacteria in Camellia oleifera leaves at OTU level
以97%相似水平對(duì)樣本序列進(jìn)行OTU聚類分析,云南油茶病健葉片內(nèi)生細(xì)菌群落可分類到18個(gè)門(mén),40個(gè)綱,63個(gè)目,100個(gè)科,130個(gè)屬。
門(mén)水平上,病、健油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌均檢測(cè)出18個(gè)門(mén),無(wú)特有門(mén)。其中,相對(duì)豐度大于1%的共7個(gè)門(mén)(圖3),分別為變形菌門(mén)Proteobacteria(27.71%,22.64%)、Bacteroidets 擬桿菌門(mén)(12.05%,11.25%)、Verrucomicrobia疣微菌門(mén)(4.59%,4.29%)、Acidobacteria 酸桿菌門(mén)(3.32%,3.24%)、Actinobacteria 放線菌門(mén)(2.25%,2.19%)、Planctomycetes 浮霉菌門(mén)(2.03%,1.79%)、Chloroflexi 綠彎菌門(mén)(1.34%,1.15%)。病、健葉片內(nèi)生細(xì)菌均為變形菌門(mén)豐度最高,其次是擬桿菌門(mén)。
圖3 門(mén)水平下的云南油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌群落組成Fig. 3 Community composition of endophytic bacteria inCamellia oleifera leaves at phylum level
屬水平下的群落組成分析表明,炭疽病侵染后,病、健組內(nèi)生細(xì)菌前20優(yōu)勢(shì)屬相同(表2),但相對(duì)豐度具有一定差異。病組中相對(duì)豐度>1%的屬為Methylobacterium、Panacagrimonas、Pontibacter、Gp7。健組中相對(duì)豐度>1%的屬為Pontibacter、Panacagrimonas、Gp7。病組最優(yōu)屬為Methylobacterium,健組最優(yōu)屬為Pontibacter。
表2 油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌屬水平相對(duì)豐度(前20屬)Table 2 Relative abundance of endophytic bacteria in Camellia oleifera leaves at genus level (top 20)
組特有屬為Belnapia0.03%、Achromobacter0.02%、Pantoea0.02%、Flavobacterium0.01%、Spirosoma0.01%。健組特有屬為L(zhǎng)egionella0.01%、Rhizorhabdus0.01%、Romboutsia0.01%。云南油茶病、健葉片內(nèi)生菌還存在大量未鑒定及不可歸類的屬,相對(duì)豐度分別達(dá)到76.99%、79.99%,這表明云南油茶病健葉片中可能存在大量的新屬種。
為了進(jìn)一步尋找組間差異顯著性物種,對(duì)云南油茶病、健葉片內(nèi)生細(xì)菌進(jìn)行了STAMP分析。結(jié)果如圖4所示。在目分類水平(圖4A)上,病組中有3個(gè)目的豐度顯著高于健組。分別為Rhizobiales(C 4.17%,H 1.51%)、Rhodospirillales(C 1.90%,H 1.38%)和Clostridiales(C 0.16%,H 0.11%)目。
圖4 基于STAMP分析的組間差異目(A)、科(B)、屬(C)Fig. 4 Analysis of differences between groups based on STAMP at order (A)、family (B)、genus (C) level
在屬分類水平(圖4C)上,病組中共 6個(gè)屬的豐度顯著高于健組,依次為 Alphaproteobacteria 門(mén)Rhizobiales目下1未鑒定屬(C 1.29%,H 0.71%),Alphaproteobacteria 門(mén)Rhodospirillales 目Acetobacteraceae科下1未鑒定屬(C 1.34%,H 0.87%),F(xiàn)irmicutes 門(mén)Eubacteriales目 Clostridiaceae科下1未鑒定屬(C 0.10%,H 0.04%),Actinobacteria門(mén)Acidimicrobiales 目Aciditerrimonas屬(C 0.02%,H 0.01%)和1未鑒定屬(C 0.05%,H 0.02%)、Proteobacteria門(mén)Burkholderiales目Achromobacter屬(C 0.02%,H 0%)(P<0.05)。
病組 Actinobacteria門(mén)Geodermatophilus(C 0.01%,H 0.02%)、Proteobacteria門(mén)Sulfurimonas(C 0.05%,H 0.09%)、Pusillimonas(C 0.01%,H 0.03%)共3個(gè)屬的豐度顯著低于健組(P<0.05)。
基于16S rRNA的高通量測(cè)序結(jié)果,采用Bugbase數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)云南油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌表型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,病、健兩組共檢測(cè)到9種微生物表型(圖5)。炭疽病菌侵染后,云南油茶葉片內(nèi)生細(xì)菌菌群的生物膜形成、氧化脅迫耐受能力增強(qiáng);革蘭氏陽(yáng)性菌、好氧、厭氧、兼性厭氧菌相對(duì)豐度增加,但革蘭氏陰性菌相對(duì)豐度降低。進(jìn)一步分析表明,生物膜形成、氧化脅迫耐受能力的增強(qiáng)主要是變形菌門(mén)下內(nèi)生細(xì)菌相對(duì)豐度的增加。革蘭氏陽(yáng)性菌主要是放線菌門(mén)相對(duì)豐度增加,同時(shí)還特定增加了綠彎菌門(mén)的相對(duì)豐度。好氧微生物中,變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)相對(duì)豐度增加。厭氧微生物中酸桿菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、綠菌門(mén)、浮霉菌門(mén)相對(duì)豐度增加。革蘭氏陰性菌主要是變形菌門(mén)的相對(duì)豐度下降。
圖5 基于Bugbase的油茶葉內(nèi)生細(xì)菌表型預(yù)測(cè)Fig. 5 Phenotypic prediction of endophytic bacteria in Camellia oleifera leaves based on Bugbase
內(nèi)生細(xì)菌與植物體建立和諧關(guān)系,有助于植物的生防、促生和抗逆等。本研究采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)云南油茶炭疽病病、健葉片內(nèi)生細(xì)菌群落進(jìn)行研究。結(jié)果表明,云南油茶葉片受炭疽菌侵染后,內(nèi)生細(xì)菌菌群多樣性相對(duì)穩(wěn)定,但菌群的豐度、OTUs數(shù)目顯著高于健康葉片。肖蓉等[18]比較分析了患炭疽病與健康草莓根際土壤微生物群落,發(fā)現(xiàn)患病土壤細(xì)菌的OTUs數(shù)目及多樣性指數(shù)均降低。樊俊等[19]研究發(fā)現(xiàn)煙草患青枯病后根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性高于健康煙草根際土壤??梢?jiàn)不同的病原侵染不同的寄主植物對(duì)植物微生物群落的多樣性和豐富度的影響不具有一致性,這其中的具體規(guī)律和原因還有賴于對(duì)更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納與總結(jié)。
云南油茶炭疽病菌侵染后改變了葉片內(nèi)生細(xì)菌群落組成。在門(mén)水平上,病、健葉片最優(yōu)內(nèi)生菌門(mén)均為變形菌門(mén),其次為擬桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線菌門(mén)。其中變形菌門(mén)是目前多數(shù)植物內(nèi)生菌的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)[20,21]。其他幾個(gè)門(mén)雖是病、健葉片共有,但均為感炭疽病葉片中的相對(duì)豐度較高。向立剛等[22]研究發(fā)現(xiàn)感青枯病的煙株根際土壤中疣微菌門(mén)和酸桿菌門(mén)的相對(duì)豐度也增加,且疣微菌門(mén)和酸桿菌門(mén)的相對(duì)豐度與發(fā)病率呈正相關(guān)。另有證據(jù)表明酸桿菌門(mén)與疣微菌門(mén)成員之間有協(xié)同作用[23]。放線菌門(mén)是能產(chǎn)生抗生素及拮抗物質(zhì)等多種代謝產(chǎn)物的革蘭氏陽(yáng)性菌,其功能已在不同類型土壤[24]、海洋、沉積物[25]等環(huán)境中分離獲得的菌株上得以驗(yàn)證。因此,油茶葉片感染炭疽病后,這幾個(gè)細(xì)菌門(mén)相對(duì)豐度增加可能對(duì)油茶葉片抵抗炭疽病的入侵有益。
目水平上,被炭疽菌侵染的油茶感病葉片中根瘤菌目、紅螺菌目的相對(duì)豐度顯著高于健康組。根瘤菌目下許多科屬都有固氮作用,如克雷伯氏菌屬Klebsiella[26]、根瘤菌屬Rhizobium[27]等。這些可以聯(lián)合固氮的植物內(nèi)生菌不僅具有一定的促生作用,而且可以直接或間接地提高宿主植物的抗病性。在膜生物反應(yīng)器(MBRs)中,生物膜的形成主要與根瘤菌目和紅螺菌目有關(guān)[28]。
屬水平上,甲基桿菌屬M(fèi)ethylobacterium是感病葉片上的最優(yōu)勢(shì)屬,且相對(duì)豐度高于健康葉片。劉曉菲等[29]研究發(fā)現(xiàn),黃龍病入侵柑橘,隨罹病程度的加深,甲基桿菌屬的相對(duì)豐度也增加。甲基桿菌屬是兼有甲基營(yíng)養(yǎng)和甲烷營(yíng)養(yǎng)特性的革蘭氏陰性桿菌,具有固氮能力,可促進(jìn)植物生長(zhǎng),還可通過(guò)分泌植物激素(細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素)與植物相互作用。此外,感病葉片中豐度顯著高于健康葉片的Aciditerrimonas屬多具有拮抗、產(chǎn)生抗生素及抑制土傳病害[30]等功能。Achromobacter屬可產(chǎn)生鐵載體并抑制番茄枯萎病[31]。葉片感病后的特有屬Spirosoma是擬桿菌門(mén)下的屬,該屬下的許多種表現(xiàn)出對(duì)紫外線等輻射的抗性,這是葉際微生物適生的一個(gè)重要屬性[32]??梢?jiàn),云南油茶被炭疽菌侵染后,激發(fā)了油茶葉片中內(nèi)生細(xì)菌的防御。增強(qiáng)了一些具有潛在抗病性的內(nèi)生菌的豐度。此外,本研究中油茶葉未歸類到屬的內(nèi)生細(xì)菌相對(duì)豐度高達(dá)79%,可見(jiàn)油茶內(nèi)生細(xì)菌還有很大的開(kāi)發(fā)新屬種的潛力。由于部分內(nèi)生菌具有宿主專一性,尚有很多植物存在大量的未知內(nèi)生菌。如玫瑰的內(nèi)生細(xì)菌以未歸類屬為最優(yōu)勢(shì)菌屬,相對(duì)豐度占33%[33],蔥屬植物未歸類內(nèi)生細(xì)菌的豐度占比高達(dá)70%[34]。植物內(nèi)生菌未知屬種的豐度一方面取決于該宿主內(nèi)生菌研究的深度和廣度,另一方面也受制于現(xiàn)有的已知物種數(shù)據(jù)庫(kù)。
Bugbase主要進(jìn)行細(xì)菌的表型預(yù)測(cè),通過(guò)表型情況來(lái)解析微生物群落生態(tài)功能。本研究通過(guò) Bugbase功能預(yù)測(cè)得知,在感病葉片中生物膜形成、移動(dòng)元件、氧化脅迫耐受功能豐度增加。Mousa等[35]研究發(fā)現(xiàn),小麥種子內(nèi)生菌也會(huì)因鐮刀菌的侵入形成生物膜介導(dǎo)的微菌落,以此形成物理屏障,阻止病原菌的入侵。此外,感病葉片中革蘭氏陽(yáng)性菌豐度增加,目前許多代表性的生防細(xì)菌都是革蘭氏陽(yáng)性菌[36],并有證據(jù)表明植物內(nèi)生革蘭氏陽(yáng)性菌在植物抗病、營(yíng)養(yǎng)互作等有利于植物健康生長(zhǎng)的生物活性方面具有重要的作用[37]。Bugbase表型分析是基于OTU數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)分析,本研究中存在大量未分類的屬種,因此會(huì)出現(xiàn)表型預(yù)測(cè)比較片面或有些樣品的部分表型沒(méi)有預(yù)測(cè)到等情況。進(jìn)一步的宏基因組測(cè)序?qū)⒖梢越o出相對(duì)準(zhǔn)確的內(nèi)生細(xì)菌的功能分析。此外,對(duì)微生物群落功能的全面準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),還有賴于已有參考數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善。