利用卡氏白和尼羅紅染色觀察稻瘟病菌有性世代的結(jié)構(gòu)

顧卓侃 李玲 王教瑜 柴榮耀 王艷麗 張震 毛雪琴 邱海萍 孫國昌

(1杭州師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 杭州 310036；2浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)與微生物研究所， 杭州 310021；3浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院， 浙江 臨安 311300; *通訊聯(lián)系人， E-mail: wangjiaoyu78@sina.com; sungc01@sina.com)

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利用卡氏白和尼羅紅染色觀察稻瘟病菌有性世代的結(jié)構(gòu)

顧卓侃1,2李玲2,3王教瑜2,*柴榮耀2王艷麗2張震2毛雪琴2邱海萍2孫國昌2,*

(1杭州師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 杭州 310036；2浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)與微生物研究所， 杭州 310021；3浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院， 浙江 臨安 311300;*通訊聯(lián)系人， E-mail: wangjiaoyu78@sina.com; sungc01@sina.com)

GU Zhuokan, LI Ling, WANG Jiaoyu, et al. Observation of sexual structure ofMagnaportheoryzaevia Calcofluor white and Nile red staining. Chin J Rice Sci, 2016, 30(6): 668-672.

稻瘟病菌(Magnaportheoryzae)是異宗配合的子囊菌，但至目前，關(guān)于其有性世代產(chǎn)生過程和結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。本研究利用兩個(gè)稻瘟病菌菌株Guy-11與2539在多種培養(yǎng)基上進(jìn)行雜交試驗(yàn)，觀察有性世代產(chǎn)生情況。結(jié)果表明，兩菌株在所有參試培養(yǎng)基上雜交后均能產(chǎn)生子囊殼，但子囊殼的數(shù)量、產(chǎn)生速度和成熟度各不相同，以燕麥培養(yǎng)基為最佳。為了進(jìn)一步觀察有性世代的結(jié)構(gòu)，我們采用卡氏白和尼羅紅對(duì)子囊和子囊孢子進(jìn)行染色和熒光觀察。熒光顯微鏡下，子囊和子囊孢子的細(xì)胞壁均能被卡氏白染成清晰的亮藍(lán)色，細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰可辨。成熟的子囊殼內(nèi)可產(chǎn)生大量的子囊，子囊中含有8個(gè)子囊孢子，子囊孢子通常含有4個(gè)細(xì)胞。同時(shí)，子囊孢子能夠被尼羅紅染成橘紅色，表明子囊孢子中儲(chǔ)藏大量的脂肪類物質(zhì)。本研究提供了一種有效的觀察稻瘟病菌有性世代結(jié)構(gòu)的熒光染色方法，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

稻瘟病菌； 有性生殖； 卡氏白； 尼羅紅；

稻瘟病是世界各稻區(qū)危害最為嚴(yán)重的病害之一，其病原菌為稻瘟病菌(Magnaportheoryzae)[1]。稻瘟病菌是一種異宗配合的子囊菌，能夠寄生多種禾本科作物及雜草[2,3]。1971年，Hebert首次報(bào)道馬唐瘟菌能夠在人工培養(yǎng)基上獲得有性世代[4]。其后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻瘟病菌及草瘟病菌做了大量的研究[5]。1976年，Kato等[6]報(bào)道了稻瘟病菌能在培養(yǎng)基上形成有性世代，其后各國學(xué)者也對(duì)此做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)及證實(shí)，證明不同的稻瘟病菌菌株產(chǎn)生有性世代的能力差異極大，不同的環(huán)境條件能顯著影響子囊殼的產(chǎn)生[7-10]。但至目前，在自然環(huán)境下仍未發(fā)現(xiàn)稻瘟病菌有性世代。因此，與稻瘟病菌無性階段和侵染機(jī)制的研究相比，關(guān)于其有性世代產(chǎn)生過程和結(jié)構(gòu)的觀察相對(duì)較少。

利用特異的熒光染料和顯微觀察研究病菌的結(jié)構(gòu)，并明確其所含成分，在稻瘟病菌侵染機(jī)制的研究中有較多的應(yīng)用?？ㄊ习?Calcofluor White)能夠結(jié)合真菌細(xì)胞壁中的纖維素和幾丁質(zhì)，在熒光顯微鏡下能夠觀察到藍(lán)色熒光[11]。尼羅紅(Nile Red)是一類苯吩啞嗪酮類化合物, 可以與脂類物質(zhì)結(jié)合并發(fā)出橙紅色熒光[12,13]。尼羅紅發(fā)出的熒光能夠于水中迅速發(fā)生猝滅，而多余的染料不需要清除，這相較于蘇丹黑、尼羅藍(lán)-A等染料可以更準(zhǔn)確地區(qū)分細(xì)胞內(nèi)的脂類物質(zhì)和其他貯藏物[14]，因而常被用于檢測動(dòng)物及微生物細(xì)胞內(nèi)的油脂含量?？ㄊ习缀湍崃_紅染色在比較稻瘟病菌細(xì)胞壁強(qiáng)度和分生孢子細(xì)胞內(nèi)脂類轉(zhuǎn)移過程中已有應(yīng)用[15,16]，但利用這兩種物質(zhì)對(duì)有性階段進(jìn)行染色觀察，尚未見報(bào)道。

本研究利用兩個(gè)稻瘟病菌菌株，觀察了在多種培養(yǎng)基上的有性世代產(chǎn)生情況，并利用卡氏白和尼羅紅染色對(duì)子囊和子囊孢子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熒光觀察，研究結(jié)果為進(jìn)一步研究稻瘟病菌有性世代產(chǎn)生的條件和產(chǎn)生過程提供了基礎(chǔ)和方法。

1 材料與方法

1.1 供試菌株

稻瘟病菌菌株Guy-11、2539作為供試菌株。

1.2 培養(yǎng)基

參試培養(yǎng)基包括完全培養(yǎng)基(Complete medium，CM)[17]、燕麥培養(yǎng)基(Oatmeal agar medium，OMA)[18]、馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基(Potato Dextrose Agar，PDA，馬鈴薯200 g/L，葡萄糖20 g/L)、淀粉酵母培養(yǎng)基(Starch yeast medium，Starch，酵母粉2 g/L，可溶性淀粉10 g/L，瓊脂粉15 g/L)、基本培養(yǎng)基(Minimal medium，MM)[17]、V8培養(yǎng)基(V8 medium，V8)[19]，均按已報(bào)道的方法進(jìn)行配制。

1.3 對(duì)峙培養(yǎng)方法

從完全培養(yǎng)基[17]上培養(yǎng)生長5d的菌株菌落邊緣切取2 mm×2 mm菌絲塊，置于5種不同培養(yǎng)基平板上對(duì)峙培養(yǎng)，在24 h黑暗環(huán)境下27℃下生長7d至菌落相互接觸，然后將各處理移至22℃恒溫光照培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)。

1.4 調(diào)查記錄

對(duì)峙培養(yǎng)24 d后，通過奧利巴斯SZX10體式鏡(東京，日本)觀測并拍攝各種類型的培養(yǎng)基上子囊殼的形成情況和形態(tài)特征。

1.5 形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

將在燕麥培養(yǎng)基上生長28d后的Guy-11與2539雜交產(chǎn)生的子囊殼用牙簽挑至載玻片上，覆上蓋玻片，用牙簽輕輕敲擊蓋玻片，壓碎子囊殼，釋放出子囊和子囊孢子，分別使用50 μg/mL的卡氏白(Calcofluor white，F(xiàn)luorescent Brightener，Sigma)和尼羅紅(Nile Red)染色，在奧林巴斯Xa21熒光顯微鏡下(東京，日本)觀察子囊殼、子囊及子囊孢子結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)基上稻瘟病菌有性世代形成情況

對(duì)峙培養(yǎng)24 d后，在燕麥培養(yǎng)基和馬鈴薯培養(yǎng)基上，產(chǎn)生大量子囊殼(圖1-A)。成熟的子囊殼具有長長的喙(圖1-B)，喙突出菌落表面，形成一個(gè)個(gè)肉眼可見的小黑點(diǎn)。無數(shù)的小黑點(diǎn)，密密麻麻，在菌落交界處形成一條子囊殼帶。同時(shí)，馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基上還存在著一些正在生長或尚未成熟的子囊殼，這些子囊殼的喙非常短小，剛剛突出菌落表面或仍埋在培養(yǎng)基內(nèi)。淀粉酵母培養(yǎng)基上只能形成極少量成熟的子囊殼，多數(shù)的子囊殼埋在培養(yǎng)基內(nèi)，通過培養(yǎng)基背部給光能夠看到。V8培養(yǎng)基與基本培養(yǎng)基上無法形成成熟的子囊殼，但在背光照射下仍能發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基內(nèi)發(fā)育不成熟的子囊殼(圖1-C)。計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，5種培養(yǎng)基中，以燕麥片培養(yǎng)基上產(chǎn)生的子囊殼數(shù)量最多(圖1-C)，并且最早可見(14～15 d)。

2.2 子囊殼結(jié)構(gòu)的卡氏白染色觀察

使用牙簽隔著蓋玻片輕輕敲打，可壓碎子囊殼。大量的子囊和部分的孢子會(huì)從破裂的子囊殼中游離出來。利用卡氏白能夠與細(xì)胞壁結(jié)合的特性，對(duì)碾碎的子囊殼進(jìn)行染色，能夠清晰地辨別子囊與子囊孢子的輪廓結(jié)構(gòu)(圖-2)。一個(gè)子囊通常含有8個(gè)子囊孢子，緊密排列在子囊內(nèi)部。子囊孢子呈鈍菱形，通常有3個(gè)隔膜，4個(gè)細(xì)胞，與稻瘟病菌分生孢子的結(jié)構(gòu)有著明顯的差異。仔細(xì)比較熒光亮度可以發(fā)現(xiàn)，子囊孢子細(xì)胞壁的亮度明顯高于子囊殼和子囊壁，表明子囊孢子細(xì)胞壁中的纖維素和幾丁質(zhì)含量最高。

A-燕麥培養(yǎng)基(OMA)、馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基(PDA)、淀粉酵母培養(yǎng)基(Starch)、基本培養(yǎng)基(MM)、V8培養(yǎng)基(V8)子囊殼形成情況；M，成熟的子囊殼；U，不成熟的子囊殼；標(biāo)尺=1000 μm。B-顯微鏡下成熟子囊殼的形態(tài)；標(biāo)尺=100 μm。C-各培養(yǎng)基上子囊殼的形成數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

A, Perithecia formed on oatmeal agar (OMA), potato dextrose agar (PDA), starch yeast medium (Starch), minimal medium (MM) and V8 medium (V8). M, Mature perithecia; U, Unmatured perithecia. Bars=1000 μm. B, Microscopical analysis of morphology of perithecia. Bars=100 μm. C, Number of total and mature perithecia formed on different media.

圖1 各培養(yǎng)基上子囊殼的形成情況

Fig. 1. Perithecia formed on different media.

2.3 子囊與子囊孢子的尼羅紅染色

尼羅紅能特異地結(jié)合真菌細(xì)胞中的脂類物質(zhì)，熒光顯微鏡下呈現(xiàn)橙紅色熒光[15]。利用尼羅紅溶液對(duì)稻瘟病病菌的子囊殼、子囊及子囊孢子進(jìn)行染色(圖3)，顯微鏡下可見，子囊孢子內(nèi)部被染成明亮的橙紅色，而子囊殼、子囊、子囊與孢子的間隙以及子囊孢子的細(xì)胞壁幾乎不能被染色，表明子囊孢子的內(nèi)部富含脂類物質(zhì)，這點(diǎn)與無性孢子類似。

A～D-大量游離的子囊，標(biāo)尺=100 μm； E-一個(gè)完整的子囊，標(biāo)尺=10 μm； H-放大的子囊孢子，標(biāo)尺=10 μm。

A-D, Asci migrated from a perithecium, Bars=100 μm; E and F, An intact ascus, bar=10 μm; G and H, Magnified image of an ascospore, bar = 10 μm.

圖2 子囊與子囊孢子的卡氏白染色觀察

Fig. 2. Structure of perithecia stained with Calcofluor white (Fluorescent Brightener) under a fluorescent microscopy.

3 小結(jié)與討論

我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燕麥片培養(yǎng)基上更有利于稻瘟病菌有性世代的產(chǎn)生，此前也有相關(guān)的報(bào)道[3]。然而在其他參試培養(yǎng)基上都有初期的子囊殼產(chǎn)生，只是無法充分成熟或發(fā)育極慢。這表明稻瘟病菌有性世代的啟動(dòng)是由菌株本身的特性(交配型)決定的，但不同的營養(yǎng)成分可以極大地干擾其有性世代的發(fā)育和是否能產(chǎn)生可育的后代。自然條件下，很難發(fā)現(xiàn)有性生殖的存在[4]。在寄主葉片和莖干等發(fā)病部位，未見發(fā)現(xiàn)有性世代的報(bào)道，很可能是因?yàn)檫@些部位的營養(yǎng)物質(zhì)無法滿足有性世代形成對(duì)營養(yǎng)的需求。燕麥培養(yǎng)基上子囊殼發(fā)育良好，或許暗示著在水稻或其他禾本科植物籽粒上，有形成可育的有性后代的可能。

A～B-標(biāo)尺=100 μm； C～D-標(biāo)尺=10 μm。

A and B, Bar =100 μm; C and D, bar =10 μm.

圖3 子囊與子囊孢子的尼羅紅染色

Fig. 3. Perithecia and ascospores stained with Nile red.

子囊殼破碎后能夠分離出大量的子囊，只憑借光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，很難清楚分辨其中子囊孢子的個(gè)數(shù)、排列情況和細(xì)胞結(jié)構(gòu)。借助卡氏白對(duì)細(xì)胞壁的染色，通過熒光顯微鏡觀察，則有效地屏蔽了子囊和孢子內(nèi)容物以及雜質(zhì)的干擾，從而清楚地分辨子囊和子囊孢子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步分析不同菌株有性世代的發(fā)育狀況和分離有性生殖相關(guān)突變體奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，研究結(jié)果也表明，子囊孢子的細(xì)胞壁成分與分生孢子類似，均含有纖維素和幾丁質(zhì)等主要成分。尼羅紅是脂肪的特異性染料，子囊孢子細(xì)胞可以被染上明亮的橙紅色，表明細(xì)胞內(nèi)富含脂質(zhì)。這與分生孢子的情況類似，分生孢子內(nèi)貯藏的大量脂肪在萌發(fā)過程中迅速降解，提供病菌致病過程的營養(yǎng)與能量[15]。稻瘟病菌的子囊孢子同樣含有大量脂類物質(zhì)，應(yīng)該可以滿足萌發(fā)和致病的需要，具有潛在的致病能力。而有關(guān)子囊孢子的萌發(fā)的詳細(xì)過程、能否形成典型侵染結(jié)構(gòu)及其致病能力等，仍需進(jìn)一步研究。

對(duì)比有利于有性世代形成的實(shí)驗(yàn)室條件，我國南方稻區(qū)晚稻生育后期的溫度與光照適合稻瘟病菌有性世代的形成。也有部分研究者根據(jù)分子遺傳學(xué)上的證據(jù)推測，稻瘟病菌在東南亞等稻瘟病菌發(fā)源地，存在自然的有性生殖過程[20]。但即便如此，直接證據(jù)卻一直很難發(fā)現(xiàn)，至今尚未在自然條件下發(fā)現(xiàn)稻瘟病菌的子囊殼。因此，明確稻瘟病菌有性世代產(chǎn)生的條件、過程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將有助于在自然界中探尋病菌有性過程，完善病菌生活史，進(jìn)一步明確病菌進(jìn)化與變異，為病害流行測報(bào)和防控策略的制定提供理論依據(jù)。

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Observation of Sexual Structure ofMagnaportheoryzaevia Calcofluor White and Nile Red Staining

GU Zhuo-kan1, 2, LI Ling2, 3, WANG Jiao-yu2,*, CHAI Rong-yao2, WANG Yan-li2, ZHANG Zhen2，MAO Xue-qin2, QIU Hai-ping2, SUN Guo-chang2,*

(1School of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China;2Institute of Plant Protection and Microbiology, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China;3College of Agriculture and Food Science, Zhejiang A&F University, Ling′an 311300, China;*Corresponding authors, E-mail: wangjiaoyu78@sina.com; sungc01@sina.com)

Magnaportheoryzaeis an economically important heterothallic ascomycete which causes rice blast, the most destructive rice disease worldwide. To the present, sexual generation of the fungus has been relatively less investigated. In the present work, Guy-11 and 2539, twoM.oryzaestrains in opposite mating types, were cross cultured on six deferent substrates to induce the sexual generation. The strains produced ascocarps on all of the substrates tested, however, the number, forming time and ripeness degree of the ascocarps varied largely with the producing substrates, among which oatmeal agar(OMA) gave the optimum value. In order to better detect the structures of sexual generation, the asci and ascospores were stained with Fluorescent Brightener and Nile red, and examined using a fluorescence microscopy. Under the fluorescence microscope, the cell walls were stained bright blue by Fluorescent Brightener, which greatly improved the visibility of asci and ascospores. Numbers of asci were found in mature ascocarps, with eight ascospores in each ascus, and an ascospore usually has four cells. Meanwhile, the ascospores can be stained bright orangey-red by Nile red, indicating they are rich in lipids. These findings showed that the fluorescence staining is an effective method to observe the structure of sexual generation inM.oryzae.

Magnaportheoryzae; sexual generation; Calcofluor White; Nile Red

2016-03-03； 修改稿收到日期: 2016-07-27。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31170136, 31470249); 浙江省公益技術(shù)研究農(nóng)業(yè)項(xiàng)目(2013C32019)。

S435.111.4+1

A

1001-7216(2016)06-0668-05

顧卓侃, 李玲, 王教瑜, 等. 利用卡氏白和尼羅紅染色觀察稻瘟病菌有性世代的結(jié)構(gòu). 中國水稻科學(xué)， 2016， 30(6)： 668-672.