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吉林和黑龍江兩省玉米北方炭疽病菌群體生物學特性分析

2023-06-05 19:40:37馬曉宇史學濤唐廣飛夏信瑤梅杰寧娜李智強劉文德
植物保護 2023年3期

馬曉宇 史學濤 唐廣飛 夏信瑤 梅杰 寧娜 李智強 劉文德

摘要

由玉蜀黍球梗孢Kabatiella?zeae引起的玉米北方炭疽病在我國東北地區普遍發生,在一些地區已成為玉米生產上的主要病害,嚴重影響玉米高產穩產,威脅我國糧食安全。為明確玉米北方炭疽病菌群體生物學特性,本研究于2020年7月-10月在吉林和黑龍江兩省共17個地點采集了玉米北方炭疽病樣品180份,并分離純化到624個玉米北方炭疽病菌單孢菌株,通過形態學觀測,科赫氏法則驗證及分子生物學鑒定,確定所分離的病原菌均為Kabatiella?zeae。依據菌落產黑色素能力與菌落生長情況將病原菌劃分為4種不同菌落形態類型。本研究選擇4株代表性菌株SH101(類型Ⅰ)、HB101(類型Ⅱ)、HN101(類型Ⅲ)和NA101(類型Ⅳ),對病原菌在兩省分布比例、產孢能力、菌落生長速率,產孢方式和致病性等的比較結果顯示,類型Ⅰ、類型Ⅱ和類型Ⅲ在兩省份病原菌群體總數中占98.8%;類型Ⅳ在兩省份中只分離到7株,其生長速率較快。對類型Ⅰ、類型Ⅱ和類型Ⅲ病原菌分析得出結論:產黑色素能力強的病原菌致病性較強且產孢能力較弱。研究結果可為玉米北方炭疽病的防治提供一定參考。

關鍵詞

玉米北方炭疽病菌;?產孢能力;?菌落形態;?產孢方式;?致病性

中圖分類號:

S?435.131.43

文獻標識碼:?A

DOI:?10.16688/j.zwbh.2022112

Biological?characteristics?of?Kabatiella?zeae?population?in?Jilin?and?Heilongjiang?provinces

MA?Xiaoyu,?SHI?Xuetao,?TANG?Guangfei,?XIA?Xinyao,?MEI?Jie,?NING?Na,?LI?Zhiqiang*,?LIU?Wende*

(State?Key?Laboratory?for?Biology?of?Plant?Diseases?and?Insect?Pests,?Institute?of?Plant?Protection,

Chinese?Academy?of?Agricultural?Sciences,?Beijing?100193,?China)

Abstract

Eyespot?of?maize?caused?by?Kabatiella?zeae?frequently?occurred?and?has?become?the?main?disease?of?corn?in?northeast?of?China,?which?seriously?affected?the?high?and?stable?yield?of?corn?and?threatened?the?food?security?in?China.?To?clarify?the?biological?characteristics?of?K.zeae?population,?a?total?of?180?samples?of?K.zeae?were?collected?from?17?sites?in?Jilin?and?Heilongjiang?provinces?from?July?to?October?2020,?and?624?strains?of?K.zeae?were?isolated?and?purified.?The?isolates?were?confirmed?to?be?K.zeae?by?morphological?observation,?Kochs?rule?and?molecular?biological?identification.?The?purified?K.zeae?colonies?were?divided?into?four?different?types:?type?Ⅰ,?type?Ⅱ,?type?Ⅲ?and?type?Ⅳ,?depending?on?the?melaninproducing?capacity?and?colonial?morphology.?In?this?study,?four?representative?strains?SH101?(type?Ⅰ),?HB101?(type?Ⅱ),?HN101?(type?Ⅲ)?and?NA101?(type?Ⅳ)?were?selected?to?compare?their?similarities?and?differences?in?terms?of?the?distribution?proportion?of?K.zeae?in?the?two?provinces,?sporulation?capacity,?colony?growth?rate,?sporulation?mode?and?pathogenicity.?The?results?showed?that?type?Ⅰ,?type?Ⅱ?and?type?Ⅲ?accounted?for?98.8%?of?the?total?number?of?pathogens?in?the?two?provinces.?Only?seven?strains?of?type?Ⅳ?were?isolated?from?the?two?provinces.?They?had?a?fast?growth?rate,?and?were?separately?classified?into?type?Ⅳ.?Through?the?analysis?of?type?Ⅰ,?type?Ⅱ?and?type?Ⅲ?strains,?it?is?concluded?that?K.zeae?with?strong?melaninproducing?ability?had?stronger?pathogenicity?and?lower?sporulation.?These?results?provide?a?theoretical?reference?for?the?prevention?and?control?of?maize?eyespot?in?northeastern?China.

Key?words

Kabatiella?zeae;?sporulation?capacity;?colony?morphology;?sporulation?mode;?pathogenicity

玉米北方炭疽病又名“玉米眼斑病”,由玉蜀黍球梗孢Kabatiella?zeae?Narita?et?Hiratsuka引起,主要分布在濕度較高、溫度較低或海拔較高的玉米種植區[14]。1959年,Narita等首次報道日本發生玉米北方炭疽病,隨后該病害在美洲、歐洲和亞洲等玉米種植區均有發生[5]。1963年玉米北方炭疽病在我國吉林省一些地區嚴重發生;1997年黑龍江、遼寧和云南等省報道發生玉米北方炭疽病,次年在遼寧省多個地點已普遍發生;2013年該病害在黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、河北北部、陜西北部、云南和貴州的高海拔山區均有發生報道[610]。2020年7月-10月我們在采樣過程中發現該病害在吉林和黑龍江兩省發生嚴重。

玉米北方炭疽病主要侵染玉米葉片,初期產生極小的近圓形水漬狀斑點,之后慢慢呈奶黃色或棕褐色,到后期中央部分壞死,病斑邊緣呈紫色且伴有水漬狀暈圈,直徑1~4?mm,形狀似鳥的眼睛,因此又稱為“眼斑病”[2]。該病害在大田的發病癥狀與玉米彎孢葉斑病的發病癥狀相似,單從病斑表型上較難區分兩種病害[8],一般需要通過顯微觀測或分子檢測其致病菌才能區分。玉米北方炭疽病發病嚴重時,病斑發生融合,葉片大面積脫水枯萎,從而導致植株早衰,嚴重影響光合作用造成減產[11]。據報道,自然狀態下該病害發生時可造成9%的產量損失[12]。嚴重發生時能夠引起感病自交系‘F522‘L2039和‘WF9等材料30%~50%的產量損失[11]。玉米北方炭疽病的發生還會加重根腐病、莖腐病和瘤黑粉病等其他病害的發生[13]。

玉米北方炭疽病菌在PDA培養基上生長良好,最適生長溫度為25℃[14]。在PDA平板培養基上菌落革質、有褶皺,呈放射波紋狀,生長速率緩慢。分生孢子梗短棒形,無色或淡褐色,頂端膨大,其上聚生分生孢子[15],分生孢子呈無色彎月形,兩端略尖,無隔,大小為(18.0~35.0)μm×(2.5~3.0)μm[16]。Chen等用9種玉米自交系對黑龍江、吉林、遼寧、云南等省103株菌株進行了毒力測試,其中品種‘Shen137和‘E28的抗病性最強,幾乎對不同地域的病原菌都有較強的抗性[17]。

為了深入研究玉米北方炭疽病菌群體生物學特性與發生規律,本研究在吉林和黑龍江兩省17個地點采集病斑樣品;根據孢子形態特征和ITS序列信息,確定了624株玉米北方炭疽病菌菌株。依據菌落形態學特征進一步將這些菌株劃分為4種類型:類型Ⅰ、類型Ⅱ、類型Ⅲ和類型Ⅳ。并對上述4種類型菌株的生長速率、產孢方式、產孢能力和致病性進行了測定。結合目前該病害的研究進展,明確其產孢方式及不同菌落形態菌株生物學特性,對了解該病害發生規律、綜合防治具有重要意義。

1?材料與方法

1.1?材料

供試病原菌和植物:發病玉米葉片于2020年7月-10月采自吉林和黑龍江兩省玉米主產區。室內接菌玉米品種為感病自交系‘B73,由本實驗室保存。

供試培養基:馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基(PDA,含氯霉素),購自青島高科技工業園海博生物技術有限公司,含馬鈴薯浸粉6.0?g/L,葡萄糖20.0?g/L,氯霉素0.1?g/L,瓊脂20.0?g/L;水瓊脂培養基:15?g瓊脂,蒸餾水定容至1?L。

試劑與儀器:2×Rapid?Taq?Master?Mix,北京諾唯贊公司;Trans2K?Plus?DNA?Marker,全式金生物技術有限公司;PCR儀器,電泳儀,北京六一生物科技有限公司。

1.2?方法

1.2.1?病原菌分離純化

分離:據報道玉米北方炭疽病菌分生孢子多數存在于玉米葉片氣孔下方葉肉組織中[16],比較容易沖洗,故本研究采用洗脫涂板法對病原菌進行初步分離,采用挑針轉移法[18]進一步分離純化,即將病斑沿病健交界處切下,每片來自不同玉米植株的葉子選取一個病斑放入PCR管中,加入適量抗生素?(200?μg/mL氨芐青霉素),移液槍輕輕吹打,然后吸取適量洗脫液涂布在PDA培養基上,待孢子萌發挑單菌落;所挑單菌落菌株再次沖洗孢子并稀釋,將菌液涂布于水瓊脂平板上,顯微鏡下進行單孢分離純化,純化好的菌株于20%甘油中-80℃保存備用。

1.2.2?病原菌菌落形態劃分

分離病原菌的過程中,發現吉林和黑龍江兩省的菌株均有4種菌落形態類型,依據菌落產黑色素能力差異劃分為類型Ⅰ、類型Ⅱ和類型Ⅲ;類型Ⅳ的劃分依據為其具有較快的生長速率,在本試驗中分別選取菌株SH101、HB101、HN101、NA101為類型Ⅰ、類型Ⅱ、類型Ⅲ、類型Ⅳ的代表性菌株。

1.2.3?病原菌分子生物學鑒定

隨機選取不同采樣地點病原菌15株,PDA培養基上黑暗培養13?d。采用CTAB法提取玉米北方炭疽病菌基因組DNA,將其作為模板,利用真菌核糖體基因轉錄間隔區通用引物ITS1(5′TCCGTAGGTGAACCTGCGG3′),ITS4?(5′TCCTCCGCTTATTGATATGC3′)進行PCR擴增。20?μL?PCR?反應體系:?2×Rapid?Taq?Master?Mix?10?μL,DNA模板?1?μL,上下游引物各?0.2?μL,DMSO?0.4?μL,ddH2O?8.2?μL。PCR擴增反應程序:95℃預變性5?min;95℃變性1?min,56℃退火30?s,72℃延伸20?s,35次循環;72℃延伸10?min,4℃保存。獲得的?PCR產物送北京擎科生物科技有限公司測序,并將測序結果與NCBI中已有信息進行比對分析。

1.2.4?病原菌形態學鑒定

將經單孢分離純化的菌株接種到PDA培養基上,25℃黑暗培養13?d,觀察并描述菌落形態,從菌落邊緣挑取菌絲制作切片,顯微鏡下觀測菌絲特征及分生孢子形狀、大小。

1.2.5?病原菌生長速率和產孢量統計

將菌株SH101(類型Ⅰ)、HB101(類型Ⅱ)、HN101(類型Ⅲ)、NA101(類型Ⅳ)在PDA上25℃黑暗培養15?d,在每種類型菌落相同的位置打3個直徑8?mm的菌餅置于裝有5?mL蒸餾水的50?mL離心管中,漩渦振蕩器振蕩10?min,血球計數板統計孢子數量,每組6次重復。游標卡尺測量菌落直徑,每組3次重復。

1.2.6?病原菌致病性測定

對代表性菌株SH101、HB101、?HN101、NA101進行致病性測定,菌株在PDA培養基上25℃黑暗培養13?d。用0.05%無菌吐溫水沖洗菌落,通過Miracloth過濾,利用血球計數板配制成6.25×106個/mL孢子懸浮液,23?cm×23?cm方形培養皿中鋪設一層濾紙并加入50?mL蒸餾水保濕,同時加入100?μL?1?mg/mL?6BA起葉片保綠作用,剪取6葉期‘B73玉米的第一葉,放入方形皿中,每片葉滴2滴孢子懸浮液,每滴10?μL,25℃培養箱中黑暗培養24?h,然后在L∥D=12?h∥12?h條件下培養5?d觀察發病情況。由于菌株NA101產孢量極低,對其采取了菌絲塊接菌:在培養箱內先在25℃,相對濕度70%,黑暗條件下培養24?h,然后置于L∥D=12?h∥12?h條件下培養5?d,觀察發病情況。拍照并進行病原菌再分離工作。

2?結果與分析

2.1?玉米北方炭疽病菌的采集分離

2020年7月-10月,從黑龍江省佳木斯市、齊齊哈爾市、綏化市綏棱縣、哈爾濱市(黑龍江省農業科學院種植基地)、黑河市、鶴崗市蘿北縣、五大連池市;吉林省四平市梨樹縣、公主嶺市、公主嶺市懷德鎮、公主嶺市雙龍鎮、公主嶺市黑林子鎮、公主嶺十二家子鎮、長春市農安縣、白城市鎮賚縣、通化市輝南縣、松原市長嶺縣等17個地點采集玉米北方炭疽病的玉米病葉180份;共分離純化到624株病原菌(表1,不同地點縮寫為其首尾拼音字母),根據地域名稱對所純化病原菌進行編號,其中SH101來源于綏化市綏棱縣,HB101來源于哈爾濱市的黑龍江省農業科學院基地,HN101來源于通化市輝南縣,NA101來源于長春市農安縣。

2.2?玉米北方炭疽病菌不同菌落形態劃分

在病原菌分離的過程中,發現吉林省和黑龍江省菌株均出現了4種不同的菌落形態(圖1a),類型Ⅰ(SH101)、類型Ⅱ(HB101)、類型Ⅲ(HN101)、類型Ⅳ(NA101)。其中類型Ⅰ菌落在生長過程中黑化時間較早,到后期完全黑化;類型Ⅱ黑化過程稍晚于類型Ⅰ,相同培養時間黑化程度弱于類型Ⅰ;類型Ⅲ生長初期為白色或淺粉色,生長后期只有菌落邊緣周圍黑化;類型Ⅳ菌落表面呈灰綠色,且表面有極短的粉末狀菌絲。本文統計了4種菌落形態病原菌在兩省的分布比例:其中黑龍江省類型Ⅰ菌落占比48.6%(142株),類型Ⅱ占比38.4%(112株),類型Ⅲ(37株)占比12.7%,類型Ⅳ只分離到1株(圖1b);吉林省類型Ⅰ占比38.6%(98株),類型Ⅱ占比32.5%(87株),類型Ⅲ占比28.7%(77株),類型Ⅳ占比2.2%(6株)(圖1c);由此可見,2020年大田主要以類型Ⅰ、類型Ⅱ為主,類型Ⅲ比例較類型Ⅰ和類型Ⅱ低,類型Ⅳ比例最低。

2.3?玉米北方炭疽病菌分子生物學鑒定

利用真菌鑒定通用引物ITS1和ITS4對選定的15個菌株基因組DNA進行PCR擴增,擴增片段長度均為557?bp?(圖2a);將測序結果同本實驗室采用PacBio和Illumina?方法全基因組組裝的標準菌株KZ1結果進行比對,結果表明,15個菌株序列與標準菌株KZ1(序列ID:?JAGFJS020000022.1)的相似性均為99.8%,15個測序結果均只有一個堿基發生突變,該堿基可能是一個進化上的SNP位點(圖2b)。說明所分離的病原菌均為玉米北方炭疽病菌玉蜀黍球梗孢Kabatiella?zeae。

2.4?玉米北方炭疽病菌形態學鑒定

玉米北方炭疽病菌在PDA培養基上生長緩慢,生長初期菌絲量極少但分生孢子量大。菌絲有隔,呈淡褐色或無色;分生孢子無隔,無色透明,大多數分生孢子兩端尖,呈彎月形,少數孢子呈長梭形或近棒狀。本研究中通過對分生孢子形態顯微觀察,確定所分離的病原菌均為玉蜀黍球梗孢。在對菌落切片顯微觀測時發現該病原菌存在3種分生孢子產生方式:頂生式(圖3a)、側生式(圖3b,?c,?d)和再生(分生孢子上再生孢子)(圖3f)。頂生式:菌絲頂端形成分生孢子梗,分生孢子梗上著生數個分生孢子。側生式:菌絲兩側或者一側產生分生孢子。再生(分生孢子上再生孢子):在分生孢子的一端或者兩端再生長出分生孢子。通過顯微鏡觀測發現4種菌落形態類型的分生孢子和菌絲形態沒有差異。

2.5?不同菌落類型生長速率和產孢能力差異

定量測定不同菌落類型菌株產孢能力和生長速率結果顯示,類型Ⅰ、類型Ⅱ、類型Ⅲ產孢能力依次顯著增加,類型Ⅳ產孢能力顯著低于其他3種類型(圖4a),顯

微鏡下觀測類型Ⅳ菌落切片發現其菌絲量較其他3種類型多,分生孢子數量少;此外,類型Ⅳ菌株生長最快,顯著高于其他3種類型菌株,類型Ⅱ菌株生長速率顯著快于類型Ⅰ和類型Ⅲ(圖4b)。

2.6?玉米北方炭疽病菌致病性測定

類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ菌株接種玉米葉片5?d后結果表明,類型Ⅰ菌株致病性最強,類型Ⅱ菌株次之,類型Ⅲ菌株處理沒有發病(圖5a,b,c)。由于類型Ⅳ菌株產孢量極低,難以獲得接種量的孢子懸浮液,因此本研究采用菌絲塊接種(圖5d),結果表明,該類型菌株無致病能力。從類型Ⅰ(SH101)和類型Ⅱ(HB101)菌株所致病斑上再次進行病原菌分離,成功分離出玉米北方炭疽病菌,且與接種菌落形態一致,說明所分離菌株為玉米北方炭疽病菌。

3?結論與討論

本研究根據玉米北方炭疽病癥狀特點、分生孢子形態特征、并結合ITS序列測序和致病性測定,證明所分離的玉米北方炭疽病的致病菌為玉蜀黍球梗孢?Kabatiella?zeae。這與徐秀德等[8]和孫佳瑩等[14]報道的玉米北方炭疽病致病菌相同。本研究前期使用常規的病原菌分離方法對從吉林和黑龍江兩省共17個地點采集的玉米北方炭疽病樣品進行分離,先用2%次氯酸鈉和75%乙醇分別消毒20~30?s,無菌水沖洗3次后將病斑置于PDA培養基培養,但因玉米北方炭疽病菌生長速率緩慢,極易被其他雜菌覆蓋,導致分離效率較低。早在1973年Dingley利用組織染色法觀察玉米北方炭疽病菌侵染的葉片,發現病原菌存在于表皮細胞間、細胞內和氣孔中[19],2015年孫佳瑩等同樣發現分生孢子僅存在于病葉氣孔中[14];依據前人報道的玉米北方炭疽病菌分生孢子的分布特點,本研究采取洗脫涂板法進行了病原菌的分離,此分離方法有效避免了玉米北方炭疽病菌因生長較慢被其他雜菌覆蓋的問題,提高了病原菌分離效率。

孫佳瑩等報道玉米北方炭疽病菌分生孢子梗呈短棒形,無色或淡褐色,頂端膨大,其上聚生分生孢子[14]。病葉經保濕培養后可觀察到分生孢子盤大多埋生于寄主氣孔下,極小,淡褐色,無剛毛,這與前人報道一致[18]。本研究中通過制作切片,共聚焦顯微鏡觀測到玉米北方炭疽病菌存在3種產孢方式:頂生、側生和再生(分生孢子上再生孢子)。本研究未發現菌株產孢能力和產孢方式存在相關性,但該病原菌多種孢子產生方式可能是其在PDA上生長初期產生大量孢子的原因。

在分離病原菌時通過統計每種菌落類型菌株的分離比例,發現自然界中主要以類型Ⅰ和類型Ⅱ菌株為主,類型Ⅲ菌株較類型Ⅰ和Ⅱ少,類型Ⅳ菌株極少,僅在黑龍江齊齊哈爾地區分離到1株,長春農安縣地區分離到6株;類型Ⅳ菌株產孢量極低,菌落生長速率明顯快于其他3種類型,且菌落表面有極短的粉末狀菌絲,其他3種類型菌落表面無粉末狀菌絲;用菌絲塊接種發現類型Ⅳ(NA101)菌株不致病,其不同于類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ生物學特性的原因有待進一步探索。類型Ⅰ、類型Ⅱ、類型Ⅲ菌落產孢量依次增加,菌落黑化程度依次減弱;類型Ⅲ黑化程度最弱且產孢量最高,因此我們推測孢子產量和菌落產黑色素能力存在負相關性,即產黑色素能力越強的菌株產孢量越低。現已有報道植物病原真菌合成黑色素的能力與其對寄主的侵染能力有正調控作用[20]。稻瘟病菌侵染水稻時可通過調節附著胞產生黑色素進而形成膨壓和入侵栓以完成對宿主的侵染[21]。通過離體致病性測定試驗,我們得到了類型Ⅰ、類型Ⅱ、類型Ⅲ致病性依次減弱的結論,這也與大田中致病性強的菌株類型(類型Ⅰ、類型Ⅱ)占比較高的統計結論相符合。本研究通過探究玉米北方炭疽病菌產孢量、致病性和產黑色素能力的關系,為探索其分子機理奠定了一定基礎。

玉米北方炭疽病近幾年在我國東北地區呈愈發嚴重的態勢,本研究鑒定了吉林省和黑龍江省玉米北方炭疽病的致病菌,劃分了不同的菌落類型,統計分析了不同類型病原菌的分布比例,明確了不同菌落形態間產孢量和致病性的關系及產孢方式等生物學特性,以上研究可為玉米北方炭疽病菌的研究和綜合防治奠定堅實基礎。

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(責任編輯:楊明麗)

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