病原物協(xié)同致病性對棉花黃萎病嚴重度的影響

張帆，李曉林，張敬澤，祝水金

（浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，杭州310058）

棉花黃萎病是1種土傳病害，由大麗輪枝菌（Verticillium dahliaeKleb.）和黑白輪枝菌（V.albo-atrumReinke et Berth.）引起，在我國主要由大麗輪枝菌引起[1]。該病害的癥狀包括萎蔫、葉片壞死、莖維管束變色和早衰；其病原菌最終會在寄主中系統(tǒng)定殖，并在侵染的組織中產(chǎn)生休眠結(jié)構(gòu)——微菌核[2]。該病害廣泛分布于棉花產(chǎn)區(qū)，常造成嚴重的經(jīng)濟損失，成為棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要障礙之一。病原菌以微菌核形式在土壤中存活多年，使棉花黃萎病成為生產(chǎn)上最難防治的病害之一[3]。理解棉花黃萎病病原菌與寄主的互作關(guān)系，是有效防治該病害的基礎(chǔ)。

隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，輪枝菌與棉花寄主互作的致病機制已逐漸從分子水平上被闡明。目前，已有許多棉花黃萎病病原菌致病相關(guān)基因被克隆，其功能已經(jīng)被鑒定確認[4]。尤其是大麗輪枝菌基因組測序的完成和大量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的積累[5]，為分析和預(yù)測大量相關(guān)基因以及從比較基因組水平上闡釋相關(guān)病原菌基因的演化與其適應(yīng)性的關(guān)系奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。另外，棉花基因組測序和注釋的完成[6-7]，還為挖掘和利用植物抗病資源奠定了基礎(chǔ)。此外，棉花黃萎病發(fā)生程度受根圍土壤中的線蟲影響。一些研究表明，田間土壤中的線蟲危害植株，不僅引起棉花線蟲病，還能加重黃萎病[8-9]。線蟲從棉花根部取食，造成傷口，提供了黃萎病病原菌迅速侵入的途徑，增加了發(fā)病概率。還有部分研究認為，線蟲取食能造成根部傷口，可能改變寄主組織的生理特性，促進病原菌孢子在維管束中的萌發(fā)，導(dǎo)致病害嚴重度增加[10]。

病原真菌和線蟲的互作關(guān)系，以及其與寄主的互作關(guān)系的明確，可對棉花黃萎病防治策略制定和有效防治起指導(dǎo)作用。最新研究發(fā)現(xiàn)，1種土壤習(xí)居的機會病原菌棉帚霉菌（Scopulariopsis gossypii）也能加重大麗輪枝菌引起的黃萎病[11]，而生物學(xué)研究顯示該真菌具有維管束病原菌的生物學(xué)特性。由此可知，在棉花根圍系統(tǒng)中存在多種病原物（大麗輪枝菌、線蟲和棉帚霉菌）與寄主的互作關(guān)系，棉花黃萎病癥狀和嚴重度是這些病原物共同作用的結(jié)果。

因此，筆者根據(jù)目前的研究資料，以及本實驗室的研究結(jié)果，描述引起維管束病害的病原菌具有的共同特征以及棉帚霉菌作為維管束病原菌的生物學(xué)特性，以及大麗輪枝菌與寄主互作的分子機制研究最新進展，評價研究大麗輪枝菌和棉帚霉菌協(xié)同致病機制的可行性，并提出從多種病原物與寄主互作體系中研究帚霉菌的致病機制及其協(xié)同致病機制的觀點，為了解棉花黃萎病發(fā)生機制提供新的視野。

1　新病原菌的發(fā)現(xiàn)

大麗輪枝菌能生長在營養(yǎng)貧乏的基質(zhì)上。因而，蒸餾水瓊脂培養(yǎng)基（簡稱“WA”，由20 g瓊脂和1 000 mL自來水配制）常用于該病原真菌的分離。在分離過程中，經(jīng)常分離到帚霉屬（Scopulariopsis）的1種真菌。該屬不屬于已知棉花內(nèi)生菌的類群[12-14]，且新發(fā)現(xiàn)的真菌在形態(tài)學(xué)上與帚霉屬的已知種不同[15]。為此，從具有典型黃萎病癥狀和無病癥的棉花植株上進行真菌的系統(tǒng)分離，發(fā)現(xiàn)該種僅存在大麗輪枝菌侵染的病株中。通過形態(tài)學(xué)結(jié)合分子系統(tǒng)學(xué)（rDNA 28S的D1/D2區(qū)、轉(zhuǎn)錄延長因子 1-α（TEF1）和 β-微管蛋白（TUB）基因方法）鑒定，發(fā)現(xiàn)該種是1個新種，被定名為棉帚霉菌（S.gossypii）[11]。

致病性試驗顯示，棉帚霉菌和大麗輪枝菌切根混合接種比單獨接種大麗輪枝菌的棉株發(fā)病早；接種25 d后，混合接種棉株葉片幾乎全部脫落，單接大麗輪枝菌棉株中僅個別葉片脫落，而單接棉帚霉菌的棉株僅有葉片褪綠癥狀。維管束檢查顯示，混合接種的棉株整個維管束呈黑褐色，比單獨接種大麗輪枝菌的棉株癥狀更嚴重。據(jù)清水對照和無傷接種棉帚霉菌的棉株無黃萎病癥狀，且維管束無褐變現(xiàn)象，認為棉帚霉菌不能侵染無傷的寄主，是1種機會病原菌[11]。

棉帚霉菌屬于帚霉屬，在Index Fungorum數(shù)據(jù)庫中該屬包含108個種的記錄，目前有87個種被接收[15]。棉帚霉屬真菌分布廣泛，通常作為腐生菌存在土壤、空氣、植物殘體和糞便中[16]，但一些種類被認為是侵染昆蟲和動物的病原菌[17-18]。棉帚霉菌是該屬中迄今發(fā)現(xiàn)唯一能侵染植物的種類。

2　棉帚霉菌具有維管束病原菌的生物學(xué)特性

作為維管束病原菌，必須具有適應(yīng)和定殖維管束棲境的能力。這是因為維管束中營養(yǎng)貧乏，僅有有限的植物病原菌能夠生長、產(chǎn)孢和存活[19]。這些病原菌在生活史的大部分時間能駐留在維管束中，這是病原菌與寄主長期互作和協(xié)同進化的結(jié)果，而它們開拓維管束這個棲境被認為是為了避免與其他微生物競爭[20]。

筆者測定棉帚霉菌在不同固體和液體培養(yǎng)基中產(chǎn)孢能力顯示，它能在營養(yǎng)貧乏的培養(yǎng)條件下產(chǎn)孢（表1和表2）。在固體培養(yǎng)基上，棉帚霉菌產(chǎn)孢量（分生孢子和子囊殼）隨營養(yǎng)成分增加而增大，但在自來水瓊脂培養(yǎng)基 （TWA），甚至在WA中也能產(chǎn)孢（表1）。同樣，在相同的液體培養(yǎng)基中，豐富的營養(yǎng)能顯著促進棉帚霉分生孢子產(chǎn)生，其中PDB中孢子含量為1 135±19 mL－1，自來水 （TW）+10%擠壓棉花組織獲得的汁液（juice） 為 8 195±19 mL－1， 蒸餾水 （W）+10%juice為 2 661.7±27.0 mL－1（表 2）。 但在營養(yǎng)貧乏的自來水和蒸餾水中，棉帚霉菌也能產(chǎn)生少量的分生孢子，分別為25±4 mL－1和8.4±2.4 mL－1（表 2），表明該菌能在營養(yǎng)貧乏的基質(zhì)中產(chǎn)孢。

表1　不同固體培養(yǎng)基對棉帚霉菌產(chǎn)孢數(shù)量的影響Table 1　Effect of different solid media on sporulation ability ofScopulariopsis gossypii

表2　不同液體培養(yǎng)基對棉帚霉菌產(chǎn)孢數(shù)量的影響Table 2　Effect of different liquid media on sporulation ability ofScopulariopsis gossypii

據(jù)棉帚霉菌能在自來水中產(chǎn)孢推測，它也可能在維管束汁液中產(chǎn)孢。這是因為維管束汁液中也有微量或極少的有機和無機營養(yǎng)，比自來水中營養(yǎng)相對豐富。一些研究顯示，維管束中的有機營養(yǎng)包括各種碳水化合物，如葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、棉籽糖、海藻糖、核糖等，各種蛋白、氨基酸和有機酸等；無機營養(yǎng)包括硝酸、硫酸和磷酸等陰離子和鈣、鉀、鎂、錳等陽離子[10,19,21]。另外，一些研究還表明，維管束病原菌不僅能通過棉維管束汁液獲得營養(yǎng)，而且能主動分泌細胞壁降解酶降解寄主細胞壁獲得營養(yǎng)，或誘導(dǎo)周圍組織營養(yǎng)泄露獲得營養(yǎng)[5,22-23]。大麗輪枝菌的基因組中含有大量編碼降解細胞壁酶的基因，調(diào)控降解維管束壁和紋孔膜，釋放糖[5,24]。維管束病原菌在定殖期間通過產(chǎn)生植物毒素，干擾膜的完整性，從而利用圍繞導(dǎo)管的細胞中泄漏的營養(yǎng)[23]。雖然目前還不清楚棉帚霉菌在維管束中是否能通過產(chǎn)生的細胞壁降解酶和植物毒素獲得營養(yǎng)，但維管束的營養(yǎng)足以促進其生長和產(chǎn)孢。

3　棉帚霉菌侵染過程

帚霉屬真菌具有極強的腐生能力，可長期存活在土壤中。致病性試驗顯示，棉帚霉菌不能侵染無傷口植株，但能通過傷口侵入。在田間，棉帚霉菌進入維管束的過程還不完全清楚。一些研究表明，真菌從皮層到達木質(zhì)部維管束的過程中，內(nèi)皮層被認為是其侵入的1個障礙[25]。比較侵染油菜的大麗輪枝菌和長孢輪枝孢（V.longisporum），這個障礙對大麗輪枝菌屬于非寄主抗性[26-27]。通常僅當內(nèi)皮層還沒有完全發(fā)育或其他因素引起皮層損傷時，病原菌才可通過內(nèi)皮層這個障礙[26,28-30]。但迄今，還不清楚棉花根部內(nèi)皮層對棉帚霉菌侵入是否具非寄主抗性以及是否為主要障礙。

棉帚霉菌一旦進入維管束后，就可像其他維管束病原菌一樣生長繁殖。掃描電鏡證據(jù)也證實，從田間采集的棉莖維管束薄壁細胞中，存在成鏈的棉帚霉菌分生孢子[11]。顯然，該真菌能在維管束中向上傳播。然而，維管束病原菌在寄主內(nèi)向上傳播，需要克服導(dǎo)管末端的障礙[25,31]，但在不同病原菌和寄主間存在差異。之前已有大麗輪枝菌在棉花植物導(dǎo)管中傳播過程的報道，認為真菌在棉花植物根和莖部的分布是有差異的[1]。在根部維管束組織中，分生孢子和菌絲主要分布在管胞中，分生孢子萌發(fā)產(chǎn)生的菌絲可以穿透管胞紋孔到相鄰的管胞中，克服導(dǎo)管末端的障礙。穿過管胞紋孔的菌絲一旦到達相鄰的導(dǎo)管中，又可產(chǎn)生分生孢子，并向上傳播。而在莖部維管束中，真菌主要分布在螺紋導(dǎo)管中。管壁上的菌絲或萌發(fā)分生孢子產(chǎn)生的芽管直接穿過導(dǎo)管螺紋間隙，進入相鄰導(dǎo)管并產(chǎn)生分生孢子。這些不同于馬鈴薯植物中大量的分生孢子聚集在導(dǎo)管分子下的穿孔板[32]，而且在棉花維管束中沒有觀察到螺紋導(dǎo)管分子末端的穿孔板[1]。推測，真菌可能主要通過穿透棉花導(dǎo)管壁螺紋向上傳播，而不是通過導(dǎo)管末端孔板，正如Beckman等[31]的觀察結(jié)果。棉帚霉菌是否具有大麗輪枝菌在維管束中的傳播機制，還需要進一步證實，但這些研究為進一步揭示棉帚霉菌在植物維管束中傳播機制奠定了細胞學(xué)和超微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

4　棉帚霉菌致病性和協(xié)同致病性

棉帚霉菌進入寄主后，除能引起棉花葉片和維管束變色的癥狀外，還能顯著加重大麗輪枝菌引起的棉花黃萎病的程度，導(dǎo)致幾乎完全落葉和維管束變色更嚴重[11]。這表明棉帚霉菌與大麗輪枝菌在棉花寄主體內(nèi)的互作具有協(xié)同致病作用。田間觀察也顯示，雖然引起棉花黃萎病的田間病原菌都是大麗輪枝菌落葉型株系[1]，但分離到棉帚霉菌田塊中棉株落葉嚴重（圖1-A），而未分離到棉帚霉菌田塊中棉株幾乎沒有明顯落葉癥狀（圖1-B）。目前研究僅證實棉帚霉菌是棉花的1種病原菌，而其致病機制及與其他病原物的協(xié)同致病機制還不清楚。

圖1　由大麗輪枝菌落葉型株系引起的棉花黃萎病在不同田塊中的癥狀Fig.1　Verticillium wilt symptoms caused by defoliation pathotype ofVerticillium dahliaeisolate in different cotton fields

然而，同屬的短帚霉菌（S.brevicaulis）基因組測序和基因注釋提供了大量基因和基因組結(jié)構(gòu)演化的信息[33]，可為揭示棉帚霉菌致病機制提供參考。短帚霉菌基因組大小僅為32.2 Mb，但含有16 298個基因，而編碼細胞壁降解酶相關(guān)的碳水化合物活性酶（CAZy）的基因達478個。同時，其基因組中存在代謝產(chǎn)物相關(guān)的基因簇[33]，可產(chǎn)生多種代謝化合物。

另外，大麗輪枝菌基因組和致病相關(guān)基因的深入研究，為揭示棉帚霉菌與大麗輪枝菌協(xié)同致病機制提供了基礎(chǔ)信息。已完成的大麗輪枝菌基因組測序分析和基因功能注釋[5,34]，發(fā)現(xiàn)基因組重排可導(dǎo)致染色體長度多態(tài)性，形成含有很高動態(tài)的、富含重復(fù)序列的和系譜?；缘膮^(qū)[5]，其中富含致病基因或效應(yīng)子[34]。最新研究表明，大麗輪枝菌的基因組屬于雙速基因組類型[35]，即基因組具有富含基因和很少有重復(fù)序列的區(qū)，它們含有調(diào)節(jié)一般生理的核心基因，演化較慢；另有部分含有可塑性的、很少基因的、富含重復(fù)序列的區(qū)，它們富含效應(yīng)基因，在與寄主植物互作中調(diào)節(jié)毒力，演化相對快[36]。近年來，已發(fā)現(xiàn)大量致病相關(guān)基因，包括VdSSP1（編碼大麗輪枝菌?；苑置诘鞍祝37]、Vdsc1（編碼異分支酸酶）[38]、VdSge1（編碼轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子1）[39]、Vta2（編碼1個鋅指紋調(diào)節(jié)因子2）[40]，VdSNF1（編碼蔗糖非發(fā)酵蛋白激酶1）[41]，VGB（編碼 G 蛋白 β 亞基）[42]，VdNUC-2（編碼1個粗糙脈孢菌nuc-2同源蛋白）[43]、VDH1（編碼疏水素類蛋白1）[44]和VdCYP1（編碼細胞色素P450單氧化酶蛋白1）[4]等。這些研究為揭示大麗輪枝菌與棉帚霉菌的協(xié)同致病機制奠定了分子基礎(chǔ)。

5　線蟲對棉花黃萎病嚴重度的影響和作用

線蟲危害棉花通常引起棉花線蟲病。線蟲取食植物根部，能造成根部傷口，不僅會引起病害癥狀，還能加重黃萎病等的危害程度[8-9]。關(guān)于線蟲加重黃萎病嚴重度的機制研究認為，線蟲的危害可能改變寄主組織的生理特性，促進大麗輪枝菌孢子在維管束中的萌發(fā)[10]。

危害棉花線蟲的種類和分布在不同國家有所不同。在美國，危害棉花的線蟲有南方根結(jié)線蟲（Meloidogyne incognita）、 腎形線蟲（Rotylenchulus reniformis）、哥倫比亞矛線蟲 （Hoplolaimus columbus）和刺線 蟲（Belonolaimus longicaudatus）[45]。但在南美，主要有3個種，即腎形線蟲、南方根結(jié)線蟲和哥倫比亞蘭斯線蟲[46-47]。在我國，雖然已報道在棉田中發(fā)現(xiàn)多種線蟲[48-51]，但危害棉花的線蟲的種類可能是有限的。

在我國新疆棉區(qū)，棉田寄生線蟲有11屬11個種，其中真滑刃線蟲（Aphelenchusavenae bastian）、莖 線 蟲 （Ditylenehus dipsaci）和 螺 旋線 蟲（Helicotylenchus multicinclus）是優(yōu)勢種群[48]；四川棉田有7屬5個種，腎形線蟲和穿刺根腐線蟲（Pratylenchus penetrans）是優(yōu)勢種群[49]；陜西棉田線蟲有6屬8個種，其中加洲螺旋線蟲（Helicotylenchus californicus）是危害棉花的主要線蟲[50]。在我國南方，一些研究證實危害棉花的線蟲主要是南方根結(jié)線蟲[52-54]。

圖2　棉田根圍系統(tǒng)中多病原菌與寄主互作關(guān)系示意圖Fig.2　Schematic diagram of multipathogen-host interaction in a cotton rhizosphere soil system

最新發(fā)現(xiàn)的機會病原菌棉帚霉菌僅通過傷口侵入，而取食線蟲造成的傷口提供了病原菌侵入寄主的途徑。因此，棉田土壤系統(tǒng)中存在多病原物與寄主的互作關(guān)系，如圖2所示。在這個系統(tǒng)中，根圍的大麗輪枝菌和棉帚霉菌通過線蟲造成的傷口侵入寄主，而2個病原真菌在寄主體內(nèi)協(xié)助致病，最后導(dǎo)致棉花黃萎病嚴重度增加。從多病原菌與寄主互作體系理解棉花黃萎病發(fā)生及其病原物協(xié)同致病性機制，是今后研究的重要內(nèi)容，將為病害防治策略的制定提供新的理論依據(jù)。

6　展望

大麗輪枝菌作為棉花黃萎病的病原菌，存在致病力分化。Schnathorst等[55]首次報道了大麗輪枝菌株系間存在毒力水平的差異，依據(jù)病原菌株系引起植株發(fā)病和落葉情況，把大麗輪枝菌株系分為落葉（Defoliating，D）和非落葉（Nondefoliating，ND）致病型。D致病型株系引起的黃萎病癥狀出現(xiàn)較早，病害發(fā)生更迅速，產(chǎn)量損失比ND株系引起的更大。雖然這2種株系在我國棉區(qū)普遍存在，但不同地區(qū)的優(yōu)勢種群有差異[1]。然而，隨著棉花育種的進展，不同抗性品種在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，用于定義病原菌株系間致病性分化的落葉型和非落葉型概念已變得模糊。這是因為雖然落葉型株系侵染感病品種后顯示落葉現(xiàn)象，但在另一些品種上不能觀察到典型的落葉癥狀。同時，在不同棉花品種之間，葉片顯示多樣性病害癥狀，除典型的癥狀外 （葉緣部分褪綠和壞死）（圖3-A），在一些品種上產(chǎn)生“西瓜皮”癥狀或掌狀斑（圖3-B）或（褪綠的）散斑癥狀（圖3-C）。病害癥狀變化是病原菌與寄主互作的結(jié)果，涉及病原菌致病性和寄主對病原菌的反應(yīng)，尤其表現(xiàn)在不同抗性品種上。另外，其他因素也影響依據(jù)落葉型和非落葉型標準對病原菌致病性株系的劃分，例如大麗輪枝菌與棉帚霉菌互作也能促進落葉[11]，使病原菌致病力分化的定義復(fù)雜化。因此，闡明病原菌致病力分化與病害癥狀變化關(guān)系，需要在多病原物與寄主互作體系中澄清。

圖3　棉花（新陸中37）黃萎病不同類型的葉片癥狀Fig.3　Verticillium wilt symptoms of different type on cotton(Xinluzhong 37)leaves

病原菌與寄主互作機制的研究在理論和技術(shù)上已取得了很大進展，尤其生物信息學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了分析病原菌協(xié)同作用及其與寄主互作機制研究的技術(shù)手段。目前，棉花基因組測序和注釋的完成[6-7]以及大量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的積累，為分析病原菌致病相關(guān)基因功能及其信號途徑提供了重要信息。這也將推動大麗輪枝菌與棉帚霉菌協(xié)同致病機制研究及其致病機制理論的發(fā)展，對棉花抗病育種和病害防治具有重要理論和實踐意義。

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