番茄尖孢鐮刀菌致病特性及環境適應性

陸曉林, 李 丹, 戴 昕, 姚燕來, 王衛平, 朱為靜

(1.浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所,浙江杭州 310021; 2.杭州市農業技術推廣中心,浙江杭州 310020;3.浙江省生態環境監測中心,浙江杭州 310012)

番茄營養價值高,是浙江省主要的蔬菜作物[1]。據統計,2017年浙江省設施番茄栽培面積超1萬hm2,產值超億元[2]。特別是浙江省溫州市蒼南縣憑借獨特的物候優勢,已成為重要的番茄生產和供應基地之一[3]。因此,番茄產業極大地增長了當地農村經濟和農民收入。但新形勢下,一些設施番茄大棚基地由于常年連作和不合理施肥等原因,造成番茄連作障礙現象普遍發生[2]。

番茄枯萎病作為番茄重要的土傳病害,最早于20世紀初被發現[4],目前在浙江省番茄優勢產區頻發[2],其在番茄植株上表現出植株萎蔫、葉片變黃、維管束褐變等系統癥狀,造成番茄嚴重減產[5]。已有研究表明,尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)是番茄枯萎病主要致病菌之一[5-6]。此外,由于土壤中尖孢鐮刀菌的致病力、濃度和生長速度關系到病害的發生和嚴重程度[7-9]。因此明確不同尖孢鐮刀菌的致病力差異及其在土壤中繁殖的最適環境因素,通過創造相應的環境條件,有助于控制枯萎病的發生或蔓延[10-11]。但是,通過傳統手段如稀釋涂布計數或菌絲生長測定來研究枯萎病病菌生長的最適條件存在數據通量小和試驗周期長等弊端[11-13]。已有研究表明,Bioscreen C全自動生長曲線分析儀可連續監測微生物的生長速率并快速篩選出微生物菌株生長的最優條件[14]。當前對不同尖孢鐮刀菌生長速度的實時監測及其最適生長條件的快速篩選相關研究鮮有報道。本研究從番茄枯萎病病株及其根際土壤上分離鑒定了3株代表性尖孢鐮刀菌,并對3株菌的致病特性和環境適應性進行相關研究,旨在為番茄枯萎病的科學防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發病植株及其根際土壤于2021年3—5月采集自浙江省溫州市蒼南縣不同地區連作多年的設施番茄大棚內。供試廣譜性生防細菌菌株分別為貝萊斯芽孢桿菌(BacillusvelezensisK1,K1)和解淀粉芽孢桿菌(BacillusamyloliquefaciensJDF,JDF),由浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所研究人員從蔬菜作物土壤根際分離得到。用于尖孢鐮刀菌分離培養及純化的培養基分別為尖孢鐮刀菌選擇性培養基[11](去皮馬鈴薯200 g/L,瓊脂粉 20 g/L,無水乙醇16.2 mL/L,45%敵磺酸鈉2.1 g/L,硫酸鏈霉素0.75 g/L)和馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基(potato dextrose agar,PDA:馬鈴薯浸出粉6 g/L,葡萄糖20 g/L,瓊脂粉20 g/L,自然pH值)。用于生防細菌活化的培養基為lysogeny broth(LB)培養基(胰蛋白胨10 g/L,酵母提取物5 g/L,氯化鈉10 g/L,瓊脂粉 20 g/L,自然pH值)。供試0.05%HYPONeX植物營養液從網上(http://www.hyponex.co.jp)購買并按照說明書的方法配制。供試藥劑:62.5 g/L精甲-咯菌腈懸浮種衣劑,購自青島奧迪斯生物科技有限公司;65%代森錳鋅可濕性粉劑,購自江西中迅農化有限公司。供試番茄品種為合作903。整個試驗過程(2021年6—12月)在浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所微生物實驗室進行。

1.2 尖孢鐮刀菌的分離及鑒定

分別采用組織分離法和梯度稀釋法[11,15]對發病植株及其根際土壤進行尖孢鐮刀菌的分離。對分離得到的菌落采用尖端菌絲挑取法純化[16]:從菌落邊緣挑取適量菌絲轉移到PDA培養基上,相同條件下純化培養,反復培養3～5代直到分離出形態一致的菌株。經分離純化,共獲得20多株不同形態的尖孢鐮刀菌單菌落,委托生工生物工程(上海)股份有限公司提取待測真菌的DNA,再利用通用引物ITS1(TCCGTAGGTGAACCTGCGG)和ITS4(TCCTCCGCTTATTGATATGC)對所提DNA的轉錄間隔區(internal transcribed spacer,ITS)進行擴增[17]。用1%瓊脂糖電泳檢測PCR產物的大小和特異性,隨后通過序列測定和同源性比較來鑒定未知真菌。最終,選取3株豐度較高的尖孢鐮刀菌作為代表性菌株,分別命名為6號、8號和19號。此外,在GenBank上下載3株分離菌株的rDNA-ITS序列用于系統發育樹的構建[5]。

1.3 尖孢鐮刀菌對番茄種子萌發及幼苗生長的影響

將3株優勢尖孢鐮刀菌接種到PDB培養基,并于28 ℃和160 r/min下振蕩培養2 d。培養結束后,分別制成106、105、104個/mL的孢子懸浮液,待用。各取10 mL孢子懸液(105、104個/mL)接入鋪有1層濾紙的培養皿中,并在培養皿中央散播飽滿一致的10顆番茄種子,置于孵育箱(26 ℃、70%相對濕度)暗培養4 d。培養結束后測定不同濃度尖孢鐮刀菌孢子懸浮液對番茄種子萌發的影響[18]。設對照接種等量的滅菌PDB培養基的稀釋液,所有處理均重復3次。

采用水培法測定3株尖孢鐮刀菌對番茄幼苗生長的影響[19]。各取5 mL孢子懸浮液(105個/mL)接入到含有10 mL營養液的離心管中。隨后,一個離心管移栽1顆番茄苗,并在24～30 ℃的溫室下培養[20]。每個處理包括8株番茄苗,3次重復,對照接種等量的PDB培養基稀釋液。待發病后選取發病組織進行病原菌的再次分離鑒定。枯萎病病害采用0～4級的5級分級標準,其中0級,植株健康,無葉片發黃;1級,植株無萎蔫癥狀,葉片發黃占比小于50%;2級,植株無萎蔫癥狀,葉片發黃占比大于50%;3級,植株葉片萎蔫,莖基部出現病斑;4級,植株枯死。病情指數(disease index,DI)[21]采用如下公式進行計算:

病情指數=∑(各級發病株數×該級代表值)×100/(調查總株數×病情最高級代表值)。

1.4 生防菌和藥劑對尖孢鐮刀菌的拮抗作用

采用平板對峙法測定生防菌對尖孢鐮刀菌菌絲生長的影響[22-23],用滅菌打孔器(直徑為5 mm)取活化好的尖孢鐮刀菌菌餅,倒扣在新鮮PDA培養基的一側,然后在距離病原菌4 cm的位置再接種近似大小的生防菌單菌落。設不接種生防菌為對照,每處理重復3次。培養7 d后,測定各處理組尖孢鐮刀菌菌落平均半徑d,對照組尖飽鐮刀菌平均半徑為D,并計算抑制率。

利用菌絲生長速率法[24],考察精甲-咯菌腈和代森錳鋅對尖孢鐮刀菌的生長抑制作用。在預試驗的基礎上制成N(N≥6)個系列濃度的精甲-咯菌腈和代森錳鋅溶液,加入到PDA培養基混勻,以無菌水代替藥劑作為空白對照。每個處理重復4次。將尖孢鐮刀菌菌餅轉接到上述含藥PDA培養基和空白對照中,(28±2)℃培養7 d,用十字交叉法測量菌落直徑,并計算菌絲生長平均抑制率及藥劑對供試病原菌菌絲生長抑制的回歸方程、相關系數(r)和抑制有效中濃度(EC50)[13]。菌絲生長平均抑制率=(對照菌落直徑均值-處理菌落直徑均值)/(對照菌落直徑均值-接種菌餅直徑)×100%。

1.5 尖孢鐮刀菌最適生長條件測定

配制50 mL pH值分別為4、5、6、7和8以及NaCl濃度分別為0.5%、1%、2%和4%的PDB培養基。將不同pH值和NaCl濃度的PDB培養液在121 ℃下滅菌20 min,待冷卻至室溫后接種1%“1.3”節所制備的孢子懸浮液(105個/mL),混勻待測。各吸取0.2 mL培養液添加到加樣孔內,每組設置5個平行,將樣品板放入Bioscreen C(FP-1100-c,芬蘭)培養箱內,中速轉速和30 ℃條件下[14]培養72 h,根據菌株的生長曲線確定最適生長pH值和NaCl濃度。

1.6 數據處理與統計分析

使用Excel 2010、IBM SPSS 26.0和OriginPro 2021軟件進行數據處理、方差分析并作圖。不同數據組間差異顯著性分析采用Duncan’s新復極差法和Student’st檢驗法進行多重比較(α=0.05),所有數據均用平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 尖孢鐮刀菌的分離鑒定

從發病番茄及其根際土壤中分離鑒定出3株占比較高的優勢尖孢鐮刀菌菌株6號、8號和19號(表 1和圖 1)。此外,將這3株尖孢鐮刀菌ITS序列在NCBI上進行BLAST比對,并下載與病原菌ITS序列同源性最為接近的4條序列,進一步結合MEGA7.0分子軟件,采用鄰接法構建系統發育樹(圖2)。發育樹顯示菌株6號、8號和19號的序列均與尖孢鐮刀菌的相似度高達100%,且菌株6號和8號在自舉值為100%水平上聚在同一個進化分支上。

表1 優勢鐮刀菌分離株的菌落形態特征

2.2 尖孢鐮刀菌致病力測定

3株尖孢鐮刀菌在不同濃度下對番茄種子萌發的影響如圖3-A所示。104孢子懸浮液處理條件下,6號和8號菌株對種子萌發產生了顯著(P<0.05)抑制,而19號株對萌發種子根長的影響與對照相比,無顯著差異。105孢子懸液條件下,3株尖孢鐮刀菌均對萌發種子的根長有顯著(P<0.05)抑制作用。

3株尖孢鐮刀菌對番茄幼苗的致病特性結果如圖3-B所示。6號和8號菌株孢子懸浮液培養 10 d 后,番茄幼苗表現出明顯的發病癥狀(圖3-C和圖3-D),病情指數均在80%以上,顯著高于在19號菌株孢子懸浮液培養下的病情指數(19.79%)(P<0.001)。

2.3 生防菌和抑菌藥劑對尖孢鐮刀菌的拮抗效果研究

生防菌K1和JDF與尖孢鐮刀菌的對峙培養試驗結果表明,2株生防菌對3株尖孢鐮刀菌的生長均有一定的抑制作用(圖4-A)。其中,生防菌JDF對3株尖孢鐮刀菌的生長抑制率均在39%以上,且三者間無顯著差異(P>0.05)。而生防菌K1對8號菌株的抑制率顯著優于6號和19號菌株(P<0.01),但總體上對三者的抑制率仍達到35%以上。

由表2可知, 精甲-咯菌腈和代森錳鋅對3株尖孢鐮刀菌均有一定的抑制作用。其中,精甲-咯菌腈對3株尖孢鐮刀菌的毒力作用優于代森錳鋅,且2種藥劑對6號和8號菌株的抑制作用高于19號菌株。

表2 藥劑對尖孢鐮刀菌的毒力

2.4 pH值和鹽濃度對尖孢鐮刀菌生長的影響

生長曲線結果表明(圖5),3株尖孢鐮刀菌在pH值=4和NaCl濃度=2%條件下,生長速度最快。其中,19號菌株對pH值和鹽濃度的適應性更好,在pH值為4～8及NaCl濃度0.5%～4% 范圍內均能快速生長。而6號和8號菌株在酸性(pH值為4～5)和高鹽(NaCl濃度2%～4%)環境下,生長速率更高。

3 討論與結論

了解番茄枯萎病病菌的種類和環境適應性是開展有效防治的前提和基礎。本研究從番茄枯萎病株及其根際土壤分離得到3株豐度優勢尖孢鐮刀菌6號、8號和19號。前人研究發現,尖孢鐮刀菌為引發蔬菜作物枯萎病的主要病原菌之一[5,20,25]。此外,尖孢鐮刀菌存在多個生理小種[7-8],且這些菌株的致病力存在差異[10,25]。在本研究中,相比于19號菌株,6號和8號菌株對番茄種子和幼苗具有更高的抑制性或致病力。筆者推測,19號菌株可能是弱致病力尖孢鐮刀菌,由于缺失了譜系特異性區域而對宿主植物具有非致病性[7,9]。而關于6號和8號菌株如何侵染宿主致其發病的相關機理還有待于進一步研究。

多黏類芽孢桿菌(Bacillusspp.)是廣泛存在于自然界的重要的生物防治微生物資源,其生防機制主要有生態位競爭、抑菌物質產生、重寄生作用與改善植物生長等[26-27]。多效拮抗菌貝萊斯芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌在作物綠色防控上的作用更是已被前人所證實[4,28]。本試驗表明,2種生防菌對3株尖孢鐮刀菌均有一定的抑制作用,尤其是解淀粉芽孢桿菌對3株尖孢鐮刀菌的抑制率較高,達到39.64%～44.57%,因而解淀粉芽孢桿菌用于防控本研究中尖孢鐮刀菌引起的枯萎病會更有潛力。而枯萎病害的發生往往是由多種尖孢鐮刀菌復合侵染作物引起,因此在摸清致病菌株致病特性基礎上開展專用生防菌的篩選顯得尤為重要。此外,精甲-咯菌腈和代森錳鋅等殺菌劑已廣泛用于經濟作物真菌病害的防治中[3,13]。謝昀燁等研究表明,代森錳鋅在田間防效上效果遠高于精甲-咯菌腈,病原菌菌株差異性可能是其與本研究結果不一致的主要原因[3]。

本研究在室內條件下探索了3株尖孢鐮刀菌的最適生長條件,明確了3株菌在pH值=4和NaCl濃度=2%條件下生長速度最快,這一結論與前人的研究結果[11,29]相似。由于氮素化肥的大量使用,我國設施大棚土壤酸化問題十分突出,而酸化的土壤環境更加有利于尖孢鐮刀菌等土傳病原真菌的生長和繁殖[11]。在中性或堿性條件下,致病力較強的6號和8號菌株的生長速率均受到了一定程度的抑制。因此,在不影響作物生長的前提下,提升酸化土壤pH值,或許可在一定程度上控制枯萎病的發生或蔓延。此外,研究發現,較高的鹽濃度可顯著促進6號和8號致病菌株的生長,這一現象與尖孢鐮刀菌為耐鹽真菌的結論[30]一致。

綜上所述,本研究對設施番茄大棚內優勢尖孢鐮刀菌的致病特性和環境適應性進行了考察,研究結果為掌握番茄枯萎病的發病規律及開發相應的防治手段提供了數據基礎和參考。