李樹(shù)江 張韻霞 劉 羽 周闖闖 張芝琴 馮 道 楊友聯(lián) 吳 迪 張曉勇*
(1 六盤(pán)水師范學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,貴州六盤(pán)水 553004;2 六盤(pán)水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,貴州六盤(pán)水 553000)
辣椒根腐病是典型的土傳病害,可引起辣椒根系和近地面莖稈木質(zhì)部、韌皮部壞死,導(dǎo)致辣椒不能輸送水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在發(fā)病初期植株葉片會(huì)出現(xiàn)白天萎蔫,晚上恢復(fù)狀態(tài)的現(xiàn)象,發(fā)病后期地下部分根系和莖稈全部壞死,地上部分干枯死亡,引起辣椒嚴(yán)重減產(chǎn)(郝蓉蓉 等,2015)。多種病原菌可引起辣椒根腐病,其中鐮刀菌屬(Fusarium)病原菌最多,如串珠鐮刀菌(F.moniliforme)、半裸鐮刀菌(F.semitectum)、茄鐮刀菌(F.solani)、尖孢鐮刀菌(F.oxysporum)、爪哇鐮刀菌(F.javanicum)、擬枝孢鐮刀菌(F.sporotrichioides)、黃色鐮刀菌(F.culmorum)、 木賊鐮刀菌(F.eguiseti)、短肥鐮刀菌(F.brachygibbosum)和藤倉(cāng)鐮刀菌(F.fujikuroi)(陳彥 等,2008;方曉翠,2016;Li et al.,2018;Naz et al.,2018)等,存在著明顯的多樣性。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要運(yùn)用農(nóng)業(yè)防治和化學(xué)防治方法來(lái)防控辣椒根腐病,但長(zhǎng)期大量施用化學(xué)殺菌劑極易造成土壤污染、農(nóng)作物農(nóng)殘超標(biāo)、引起土壤菌群失調(diào)和提高病原菌的抗藥性等諸多問(wèn)題,最終加重土壤的連作障礙(姜飛 等,2010;張秀玲,2013)。
生物防治是近年研究的熱點(diǎn),相較化學(xué)防治方法,生物防治具有生產(chǎn)安全、健康環(huán)保、無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)(李凱和袁鶴,2012)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)辣椒根腐病的生物防治技術(shù)開(kāi)展了大量研究,如解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)、枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、黃綠木霉(Trchoderma aureoviride)和短密木霉菌(T.brevicompactum)等相關(guān)微生物活體菌劑可通過(guò)與病原菌營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、微寄生、分泌抑菌物質(zhì)以及誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性等對(duì)辣椒根腐病發(fā)揮良好的防治效果,已被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中(高亮,2015;朱萍萍 等,2015;李曉宇,2018;申君 等,2022)。
本試驗(yàn)擬開(kāi)展辣椒根腐病高效生防菌的篩選,通過(guò)形態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)方法對(duì)生防菌進(jìn)行鑒定,對(duì)生防菌的抑菌活性和對(duì)辣椒根腐防治效果進(jìn)行檢測(cè),并探究生防菌最佳培養(yǎng)條件,以期為辣椒根腐病生物防治提供理論及技術(shù)支撐。
供試?yán)苯犯〔≡鸀榱P(pán)水地區(qū)辣椒根腐病主要種茄鐮刀菌(F.solani),由六盤(pán)水師范學(xué)院微生物課題組分離及鑒定。將茄鐮刀菌單點(diǎn)接種于PDA 培養(yǎng)基內(nèi),在25 ℃條件下培養(yǎng)3 d 進(jìn)行活化。
供試?yán)苯菲贩N為澳冠8899 線椒(河北省青縣艾森蔬菜優(yōu)良品種推廣中心選育)。
試驗(yàn)于2021 年5—12 月在六盤(pán)水師范學(xué)院基礎(chǔ)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)展。從健康辣椒根際土壤和腐殖質(zhì)中分離辣椒根腐病生防菌。將土樣放置于室內(nèi)自然風(fēng)干后,隨機(jī)稱取1.0 g 土樣加入盛有9 mL無(wú)菌水的小三角瓶中,加入10 粒直徑為2 mm 的滅菌玻璃珠,于150 r · min-1、25 ℃的搖床中震蕩60 min 獲得1 × 10-1倍的土壤懸濁液,再對(duì)懸濁液進(jìn)行梯度稀釋后獲得1 × 10-4倍的稀釋液,靜置10 min 后取100 μL 上清液,在雙抗PDA(100 mL 的PDA 培養(yǎng)基滅菌冷卻至60 ℃時(shí)分別加入10 mg 硫酸鏈霉素和青霉素并混勻)平板上涂布均勻后置于25 ℃下培養(yǎng),24 h 后用無(wú)菌解剖刀從菌落邊緣挑取菌塊至PDA 平板中進(jìn)行1~2 次純化,獲得生防菌待篩菌株(陳夢(mèng) 等,2021)。
以辣椒根腐病病原菌茄鐮刀菌(F.solani)作為指示菌,以三點(diǎn)對(duì)峙培養(yǎng)法篩選對(duì)茄鐮刀菌生長(zhǎng)具有高效抑制效果的菌株。用孔徑4 mm 無(wú)菌打孔器打取活化的茄鐮刀菌菌落邊緣菌塊,接種于直徑9 cm 的PDA 平板的中央,在中央菌塊的上、左、右3 個(gè)方向且距離培養(yǎng)皿邊緣1 cm 處分別接種待篩菌株直徑為4 mm 的菌塊。于25 ℃、自然光照下培養(yǎng),待指示菌下側(cè)菌絲長(zhǎng)至平板的邊緣后,測(cè)量對(duì)峙側(cè)的菌落半徑(mm),并計(jì)算生防菌對(duì)病原菌的抑制率(朱萍萍 等,2015),3 次重復(fù)。
抑菌率 = (對(duì)照側(cè)半徑-對(duì)峙側(cè)半徑)/對(duì)照側(cè)半徑×100%
在生防菌與茄鐮刀菌菌絲對(duì)峙區(qū)域斜插1 片滅菌的蓋玻片,培養(yǎng)3 d 后取下蓋玻片制作臨時(shí)裝片,在顯微鏡下觀察生防菌對(duì)茄鐮刀菌的重寄生(hyperparasitism)情況。
1.3.1 生防菌形態(tài)學(xué)鑒定 將生防菌接種于PDA平板上,25 ℃、自然光照下培養(yǎng),待菌落表面產(chǎn)孢后,以乳酸酚棉蘭染液為載浮劑制作臨時(shí)裝片,用奧林巴斯(Olympus)BX53 顯微成像系統(tǒng)拍攝生防菌形態(tài)特征并測(cè)量大小。
1.3.2 生防菌分子鑒定 用無(wú)菌刀片刮取培養(yǎng)3 d 的生防菌菌絲,用改良的CTAB 法提取DNA(張穎慧 等,2008)。擴(kuò)增的目的序列為內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS),使用ITS 通用引物ITS4(TCCTCCGCTTATTGATATGC)和ITS5(GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG)(Nishikawa &Nakashima,2020)對(duì)待測(cè)生防菌ITS 序列進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增條件為94 ℃預(yù)變性3 min,94 ℃變性30 s,50 ℃退火20 s,72 ℃延伸30 s,循環(huán)35 次后于72 ℃延伸7 min(Woudenberg et al.,2013)。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后,由北京擎科生物科技有限公司進(jìn)行純化和雙向測(cè)序。將所得序列在GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行對(duì)比,使用軟件MEGA 11.0 采用NJ 法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),確定生防菌的分類地位。
在250 mL 的三角瓶里加入100 mL PD 液體培養(yǎng)基(去皮馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,水1 000 mL,自然pH),接入3 塊直徑為4 mm 的生防菌菌塊,于25 ℃、160 r · min-1下震蕩培養(yǎng)7 d 獲得生防菌發(fā)酵液;將發(fā)酵液于10 000 r · min-1下離心10 min 后吸取上清液,再用0.22 μm 無(wú)菌微孔濾膜過(guò)濾2 次,得到無(wú)菌的發(fā)酵代謝產(chǎn)物粗溶液。待融化的PDA 培養(yǎng)基冷卻至60 ℃后依次在其中分別加入體積分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的生防菌無(wú)菌代謝產(chǎn)物溶液,充分搖勻后倒成直徑9 cm 平板,以不加代謝產(chǎn)物的PDA 平板作為對(duì)照。在上述平板正中央接種1 塊4 mm 的茄鐮刀菌小菌塊,于25℃、自然光照下培養(yǎng),待對(duì)照中茄鐮刀菌長(zhǎng)滿平板時(shí)用十字交叉法測(cè)量各處理的菌落生長(zhǎng)直徑,計(jì)算代謝產(chǎn)物對(duì)茄鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)的抑制率(張曉勇等,2021),3 次重復(fù)。
抑制率 = (對(duì)照菌落直徑-處理菌落直徑)/對(duì)照菌落直徑× 100%
在100 mL 的PD 液體培養(yǎng)基內(nèi)分別接種3 塊直徑為4 mm 的茄鐮刀菌和生防菌菌塊,于25 ℃、160 r · min-1下震蕩培養(yǎng)3 d 獲得病原菌茄鐮刀菌和生防菌液體菌種;將茄鐮刀菌和生防菌液體菌種用無(wú)菌水分別稀釋10 倍后獲得茄鐮刀菌菌液和生防菌菌液。
盆栽試驗(yàn)于2022 年3—8 月在六盤(pán)水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院科研溫室開(kāi)展。選取健康、飽滿的澳冠8899 線椒種子,用1%次氯酸鈉浸泡1 min,無(wú)菌水清洗5 次后播種至經(jīng)高溫滅菌的草炭土中,放置在25 ℃、光照時(shí)間10 h · d-1的光照室內(nèi)進(jìn)行隔離培養(yǎng)。待辣椒幼苗株高長(zhǎng)至15 cm 時(shí)移栽至盛有滅菌草炭土的16 cm × 18 cm 育苗缽內(nèi),每缽6 株。待幼苗緩苗后根部接種生防菌(表1),測(cè)定生防菌對(duì)辣椒根腐病的防治效果和安全性。
表1 生防菌株對(duì)辣椒根腐病防治效果測(cè)定處理設(shè)置
每個(gè)處理設(shè)置5 次重復(fù),接種后置于25 ℃、自然光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)。15 d 后統(tǒng)計(jì)辣椒植株根腐病病株數(shù),計(jì)算病株率(%);并采用0~9 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)辣椒植株根腐病發(fā)病級(jí)別,計(jì)算病情指數(shù)(曲春鶴 等,2012)。
辣椒根腐病發(fā)病級(jí)別:0 級(jí),根系正常生長(zhǎng);1 級(jí),部分須根壞死變褐色;3 級(jí),須根和主根部分壞死變褐色;5 級(jí),壞死根系占30%~50%,植株葉片輕度萎蔫,傍晚可恢復(fù);7 級(jí),壞死的根系占50%~80%,植株地上部分萎蔫且不可恢復(fù);9級(jí),根系全部壞死并擴(kuò)展至近地面莖部,地上部分全株枯萎。
病情指數(shù) = ∑(各級(jí)病株數(shù)×病害級(jí)值)/(各處理總株數(shù)× 9)
相對(duì)防效 = (對(duì)照病情指數(shù)-處理病情指數(shù))/對(duì)照病情指數(shù)× 100%
1.6.1 pH 對(duì)生防菌菌絲生長(zhǎng)量的影響 用1.0 mol ·L-1的HCl 或NaOH 將PD 液體培養(yǎng)基pH 值調(diào)節(jié)為3、4、5、6、7、8、9、10、11,然后分裝入250 mL 三角瓶中,每瓶100 mL;在每瓶培養(yǎng)基中接種3 塊直徑4 mm 的生防菌菌塊,于25 ℃、160 r ·min-1中震蕩培養(yǎng)4 d。將紗布裁剪成10 cm × 10 cm小塊,放入烘箱中烘至恒重后稱量紗布質(zhì)量(g);將培養(yǎng)后的生防菌菌液倒在3 層紗布上進(jìn)行過(guò)濾,菌絲和紗布一起放于60 ℃下烘干至恒重并稱量總質(zhì)量(g),總質(zhì)量減去紗布質(zhì)量即為菌絲生長(zhǎng)量(g)。
1.6.2 溫度對(duì)生防菌菌絲生長(zhǎng)的影響 在100 mL的pH 值為7.0 的PD 液體培養(yǎng)基中接種3 塊直徑4 mm 的生防菌菌塊,并置于10、15、20、25、30、35 ℃和40 ℃的搖床中,160 r · min-1震蕩培養(yǎng)4 d,菌絲生長(zhǎng)量測(cè)定方法同1.6.1。
1.6.3 不同碳源對(duì)生防菌菌株生長(zhǎng)的影響 以察氏液體培養(yǎng)基(硝酸鈉3.0 g,磷酸氫二鉀1.0 g,硫酸鎂0.5 g,氯化鉀0.5 g,硫酸亞鐵0.01 g,蔗糖30.0 g,蒸餾水1 000 mL)(龍巧芳 等,2022)為基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基,將其中的蔗糖分別同質(zhì)量替換為淀粉、葡萄糖、果糖、麥芽糖、乳糖、甘油,并將pH 值調(diào)節(jié)至7,在100 mL 的不同碳源液體培養(yǎng)基中分別接種4 塊直徑4 mm 的生防菌菌塊,于160 r ·min-1、25 ℃中震蕩培養(yǎng)4 d。菌絲生長(zhǎng)量測(cè)定方法同1.6.1。
1.6.4 不同氮源對(duì)生防菌菌株生長(zhǎng)的影響 以察氏液體培養(yǎng)基為基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基,將其中的硝酸鈉分別同質(zhì)量替換為尿素、蛋白胨、硝酸銨、酵母粉、牛肉膏和氯化銨,pH 值調(diào)節(jié)至7,在分別為100 mL 的不同氮源液體培養(yǎng)基中接種4 塊直徑4 mm的生防菌菌塊,于160 r · min-1、25 ℃中震蕩培養(yǎng)4 d。菌絲生長(zhǎng)量測(cè)定方法同1.6.1。
使用DPS v7.05 軟件進(jìn)行方差分析,采用Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖繪制。
從辣椒根際土壤和有機(jī)質(zhì)土壤中分離出17 個(gè)真菌菌株,與茄鐮刀菌(F.solani)進(jìn)行三點(diǎn)平板對(duì)峙培養(yǎng),篩選出2 株對(duì)茄鐮刀菌生防效果達(dá)70%以上的菌株,其中編號(hào)為M20210527-2 的菌株抑制率高達(dá)79.29%,并能快速占據(jù)平板的大部分空間,對(duì)茄鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)形成高效的抑制(圖1-A、1-B)。通過(guò)插片培養(yǎng),并于40×10 顯微鏡下進(jìn)行觀察,M20210527-2 菌株的菌絲能夠纏繞重寄生于茄鐮刀菌菌絲上,抑制茄鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)(圖1-C)。
圖1 生防菌株M20210527-2 對(duì)茄鐮刀菌的抑制效果及生防特征
2.2.1 形態(tài)學(xué)鑒定 生防菌株M20210527-2 在PDA 培養(yǎng)基上生長(zhǎng)快速,生長(zhǎng)速率為30 mm · d-1,前期菌落白色,蓬松,有明顯的放射狀紋,中央略隆起,老化產(chǎn)孢后表面呈青綠色(圖2-A)。分生孢子梗直接在頂端形成瓶梗或二次分枝(圖2-B);瓶梗輪狀排列,安瓿瓶狀,直或略彎曲,基部膨大,頂端尖細(xì),長(zhǎng)6.6~18.0 μm,寬2.0~4.7 μm;分生孢子單生,球形或卵圓形,在瓶梗頂端聚合成分生孢子頭,大?。?.5~3.5)μm ×(2.2~3.4)μm,平均(3.0 ± 0.2)μm × (2.6 ± 0.2)μm(n= 40)(圖2-C、2-D)。初步將菌株M20210527-2 鑒定為哈茨木霉(Trichodermaharzianum)。
圖2 M20210527-2 的菌株形態(tài)結(jié)構(gòu)特征
2.2.2 分子系統(tǒng)學(xué)鑒定 將菌株M20210527-2的ITS 序列輸入GenBank 的BLATS 中進(jìn)行同源性對(duì)比,下載17 個(gè)模式菌株或公認(rèn)菌株的ITS序列,構(gòu)建NJ 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),如圖3 所示,菌株M20210527-2 與哈茨木霉TrichodermaharzianumCRC32、CRC7 和AR75 以100% 的支持率聚為一支,且無(wú)支長(zhǎng)差異。結(jié)合形態(tài)學(xué)特征和分子生物學(xué)分析,將菌株M20210527-2 鑒定為哈茨木霉(Trichodermaharzianum)。
圖3 基于ITS 序列構(gòu)建的NJ 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)
菌株M20210527-2 發(fā)酵代謝產(chǎn)物顯著抑制茄鐮刀菌菌絲生長(zhǎng),菌落直徑隨代謝產(chǎn)物添加濃度的增大而顯著減?。▓D4、表2),體積分?jǐn)?shù)為15%和20%時(shí),對(duì)茄鐮刀菌抑制率達(dá)到55.97%和75.51%(表2)。說(shuō)明菌株M20210527-2 代謝產(chǎn)物對(duì)茄鐮刀菌具有顯著的抑制作用。
圖4 菌株M20210527-2 發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)茄鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)的影響
表2 菌株M20210527-2 發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)茄鐮刀菌菌絲的抑制效果
盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明(表3),先接種生防菌株M20210527-2,7 d 后接種辣椒根腐病病原菌(處理2)病株率和病情指數(shù)均顯著低于先接種辣椒根腐病病原菌,7 d 后接種生防菌株M20210527-2(處理1),相對(duì)防效高達(dá)94.25%,說(shuō)明生防菌株M20210527-2 對(duì)辣椒根腐病預(yù)防效果最佳,發(fā)病前使用可顯著降低辣椒根腐病病株率和發(fā)病程度。病原菌侵染后再接種生防菌M20210527-2 雖可顯著降低辣椒根腐病發(fā)病程度,但仍有56.67%的植株發(fā)病,說(shuō)明其防治根腐病效果一般。單獨(dú)接種生防菌株M202100527-2(處理3)的辣椒植株未發(fā)病,說(shuō)明該菌株對(duì)辣椒根部無(wú)致病性,安全性好。
表3 生防菌株M20210527-2 對(duì)辣椒根腐病的防治效果
不同pH 和溫度對(duì)生防菌株M20210527-2菌絲生長(zhǎng)量的影響達(dá)到顯著水平(圖5),菌株M20210527-2 在pH 值6~7(圖5-A)、溫度為25℃時(shí)(圖5-B)菌絲生長(zhǎng)量顯著高于其他處理;在以蔗糖、淀粉和葡萄糖為碳源時(shí)菌絲生長(zhǎng)量顯著高于其他碳源處理,果糖和麥芽糖次之,甘油最差(圖5-C);在以蛋白胨、酵母粉和牛肉膏為氮源時(shí)菌絲生長(zhǎng)量最大,硝酸鈉、硝酸銨、氯化銨次之,尿素最差(圖5-D)。說(shuō)明菌株M20210527-2 最佳培養(yǎng)pH 值為6~7,最佳培養(yǎng)溫度為25 ℃,最適生長(zhǎng)碳源為蔗糖、淀粉和葡萄糖,最適氮源為蛋白胨、酵母粉和牛肉膏。
圖5 不同pH(A)、溫度(B)、碳源(C)和氮源(D)對(duì)生防菌M20210527-2 菌絲生長(zhǎng)的影響
木霉屬(Trichoderma)真菌廣泛分布于植物根際土壤、體表和組織內(nèi)部,其中很多類群對(duì)鐮孢菌屬真菌具有抑制、重寄生、空間和營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)作用等(Mendoza et al.,2015;王丹 等,2021)。梁曉潔等(2020)研究表明木霉菌在植物根際土壤中的豐度與植物抗土傳病害能力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。哈茨木霉(T.harzianum)是木霉屬中拮抗能力最突出、抗菌譜最廣的真菌之一,對(duì)鐮刀菌屬(Fusarium)(Srivastava et al.,2010)、疫霉屬(Phytophthora)(Fatima et al.,2015)、輪枝菌屬(Verticillium)和絲核菌屬(Rhizoctonia)(Santamarina & Rosello,2006)等的病原真菌具有較強(qiáng)的拮抗能力。本試驗(yàn)中,哈茨木霉M20210527-2 菌絲能夠纏繞重寄生于茄鐮刀菌菌絲上吸取茄鐮刀菌菌絲的營(yíng)養(yǎng),并能快速爭(zhēng)奪病原菌的生長(zhǎng)空間而起到顯著的抑菌效果。
本試驗(yàn)中,哈茨木霉M20210527-2 的發(fā)酵產(chǎn)物還能顯著抑制茄鐮刀菌的生長(zhǎng),說(shuō)明哈茨木霉還能向外分泌高活性抑菌物質(zhì)。哈茨木霉分泌的低分子量次級(jí)代謝產(chǎn)物如丁烯酸內(nèi)酯類、2,5-二叔丁基酚、鄰苯二甲酸二叔丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、十八碳酸甲酯等對(duì)很多真菌生長(zhǎng)具有強(qiáng)烈抑制作用(Reino et al.,2008;沙莎 等,2013;楊立賓 等,2013)。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,哈茨木霉M20210527-2對(duì)辣椒根腐病病原菌茄鐮刀菌的抑制率達(dá)到了79.29%,對(duì)辣椒根腐病的相對(duì)防效也高達(dá)94.25%,具有良好的應(yīng)用前景。哈茨木霉除了其突出的病原菌拮抗、抑菌和重寄生性能,還能改善土壤微生物菌群結(jié)構(gòu),降低病原菌豐度和提高農(nóng)作物抗病性,可有效緩解土壤連作障礙,降低土傳病害的發(fā)生程度(董瑞利 等,2013;Bader et al.,2020);哈茨木霉還對(duì)高鹽、干旱、低溫和低營(yíng)養(yǎng)等極端環(huán)境具有較強(qiáng)的耐受性,擴(kuò)大了其田間病害防治的應(yīng)用范圍(唐永慶 等,2008;朱萍萍 等,2015)。
綜上所述,哈茨木霉M20210527-2 通過(guò)快速競(jìng)爭(zhēng)性抑制、重寄生和分泌抑菌活性成分等多種途徑,可以強(qiáng)烈抑制辣椒根腐病病原菌茄鐮刀菌生長(zhǎng)。盆栽試驗(yàn)表明該生防菌可顯著降低辣椒根腐病發(fā)病率和病情指數(shù),防治效果理想,在辣椒根腐病綠色、高效防治中具有廣闊的應(yīng)用前景。