荊州地區(qū)玉米鞘腐病病原菌鑒定及生物學(xué)特性分析

周雙針 王康 杜何為 黃敏

摘 要2019年6月，在湖北荊州長(zhǎng)江大學(xué)試驗(yàn)地自然感玉米鞘腐病的玉米植株中分離出致病原菌，采用植物病理學(xué)及分子生物學(xué)方法，鑒定了該致病原菌的種類;采用控制變量法測(cè)試分析病原菌的生物學(xué)特性。結(jié)果表明，從感病植株葉鞘中分離得到的致病菌株（Fg-1），在形態(tài)學(xué)水平上與禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）一致;分子水平上，rDNA-ITS序列分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)g-1與禾谷鐮孢菌的相似度達(dá)99.42 %;Fg-1的最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，致死溫度為40 ℃，最適pH值為7.0，培養(yǎng)基培養(yǎng)最適碳源為牛肉膏，最適氮源為酵母膏。

關(guān)鍵詞 玉米;玉米鞘腐病;病原菌鑒定;禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）;生物學(xué)特性

中圖分類號(hào)：S435.131 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.07.001

玉米（Zea mays L.）是我國(guó)重要的糧食作物，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)玉米的年產(chǎn)量為2.61億噸，播種面積為4 128萬(wàn)公頃，是我國(guó)第一大糧食作物[1]。隨著秸稈還田、免耕直播、地膜覆蓋等耕作栽培方式的廣泛運(yùn)用，玉米品種更新?lián)Q代及全球氣候變暖，導(dǎo)致玉米病蟲(chóng)害持續(xù)加重，給玉米產(chǎn)量造成嚴(yán)重?fù)p失[2]。玉米鞘腐病是玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的主要病害之一，該病主要在玉米開(kāi)花期至乳熟期發(fā)生，為害玉米葉鞘部位，發(fā)病時(shí)往往出現(xiàn)不規(guī)則形狀的糜爛狀病斑，顏色以褐色為主，嚴(yán)重時(shí)可蔓延至整個(gè)葉鞘，致使葉鞘干腐死亡，嚴(yán)重影響玉米的產(chǎn)量[3-4]。分離玉米鞘腐病的致病原菌，探明其生物學(xué)特性，對(duì)玉米鞘腐病的防治具有重要意義。

玉米鞘腐病最早在美國(guó)報(bào)道，該病在玉米抽絲期發(fā)生，侵染葉鞘[5]。2008年，徐秀德等通過(guò)采集遼寧省、吉林省和黑龍江省的自然病株，采用常規(guī)的植物病理學(xué)和分子生物學(xué)相結(jié)合的方法，將該病的病原菌鑒定為層出鐮孢菌（Fusarium proliferatum）[6]。隨后，胡蘭等對(duì)該病原菌的生物學(xué)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其生長(zhǎng)的最適溫度為28 ℃，最適pH值為5～6，分生孢子萌發(fā)適溫為25～30 ℃[7]。玉米不同種群對(duì)玉米鞘腐病的抗性不同，2019年，渠清等從玉米16個(gè)自交系所在的種群中發(fā)現(xiàn)，蘭卡斯特群和唐四平頭群對(duì)玉米鞘腐病表現(xiàn)為抗病[8]。

近年來(lái)，湖北地區(qū)玉米鞘腐病的發(fā)病程度越來(lái)越嚴(yán)重。本研究通過(guò)采集湖北荊州長(zhǎng)江大學(xué)試驗(yàn)地（東經(jīng)112°14′，北緯30°35′）中的玉米鞘腐病病株，采用基本的植物病理學(xué)方法鑒定病原菌種類，探究荊州玉米鞘腐病病原的生物學(xué)特性，為該地區(qū)玉米鞘腐病的綜合防治和深入研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

2019年6月，從湖北省荊州市長(zhǎng)江大學(xué)玉米試驗(yàn)地采集表現(xiàn)出典型玉米鞘腐病癥狀的玉米病株，用于病原菌分離。

1.2 培養(yǎng)基

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基（PDA）[9]，查氏培養(yǎng)基（Czapek）[9]，綠豆煎汁培養(yǎng)基（LD，用于誘導(dǎo)大型分生孢子的產(chǎn)出）[10]。

1.3 病原菌分離與純化

參考曹興等的方法[11]，將采集的玉米葉鞘沿病健交界處剪成2～3 mm2大小，表面消毒后置于PDA平板上，25 ℃恒溫倒置培養(yǎng)3～5 d。挑取組織周圍菌絲，轉(zhuǎn)接于另一新的PDA平板上。培養(yǎng)一周后，用無(wú)菌水制成孢子懸浮液，進(jìn)行單孢分離并純化。將純化好的真菌分離物用直徑為5 mm的打孔器打成菌餅，轉(zhuǎn)入裝有1 mL 25%甘油的1.5 mL離心管中，置于-70 ℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 病原菌鑒定

1.4.1 形態(tài)學(xué)鑒定

參考盧維宏等的方法[12]，將分離的菌株接種在9 mm的PDA平板上，25 ℃下培養(yǎng)5 d，觀察菌落形態(tài);在顯微鏡下觀察分生孢子形狀及大小，并拍照記錄。參照孫華等的方法[13]，確定菌株的屬和種。

1.4.2 分子生物學(xué)鑒定

參考張穎慧等改良的絲狀真菌DNA提取方法[14]，挑取在PDA平板上生長(zhǎng)6 d的病原菌菌絲，采用CTAB法提取真菌DNA。對(duì)rDNA-ITS序列進(jìn)行擴(kuò)增，選擇的引物為：ITS1（5′-TTCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′）[15]。PCR產(chǎn)物經(jīng)純化后送至生工生物工程（上海）股份有限公司測(cè)序。測(cè)序結(jié)果在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.ncbi.nlm.gov）中進(jìn)行同源性檢索，采用MEGA7.0軟件的Neighbor-Joining法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)[16]。

1.5 致病性測(cè)定

將普通牙簽高溫滅菌并去除有毒物質(zhì)后接種，轉(zhuǎn)入Fg-1的PDA平板上，25 ℃培養(yǎng)至真菌長(zhǎng)滿整個(gè)牙簽備用。根據(jù)柯赫氏法則，在玉米試驗(yàn)田中，采用牙簽接種法[17]，以開(kāi)花期的玉米植株作為接種對(duì)象，用無(wú)菌穿刺器在其葉鞘部位穿刺后，將長(zhǎng)滿菌絲的牙簽直接插入孔中，保濕培養(yǎng)，以沾滿無(wú)菌水的牙簽做空白對(duì)照，每處理5次重復(fù)。3 d后觀察接種部位的發(fā)病情況并拍照記錄。將接種真菌和接無(wú)菌水（對(duì)照）的葉鞘均按照“1.3”節(jié)的步驟獲得再分離菌株，并觀察再分離菌株和原接種病菌的形態(tài)差異。

1.6 病原菌生物學(xué)特性測(cè)試分析

1.6.1 溫度對(duì)菌絲體生長(zhǎng)和大型分生孢子萌發(fā)的影響

參考李俊香等的方法[18]，將保存在-70 ℃冰箱中的病原菌轉(zhuǎn)接于PDA平板上，置于25 ℃恒溫暗培養(yǎng)5 d，沿著菌落的邊緣打取直徑5 mm的菌餅，接種在9 mm的PDA平板中央，依次放入溫度為5、10、15、20、25、28、30、35、40 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，從第1天開(kāi)始，每天同一時(shí)間觀察菌絲的生長(zhǎng)情況及菌落的顏色、形態(tài)等，第5天用十字交叉法測(cè)量菌落直徑。

將活化后的病原菌用直徑為5 mm的無(wú)菌打孔器沿著菌落邊緣打取菌餅，取5片菌餅置于100 mL綠豆煎汁液體培養(yǎng)基中，25 ℃，150 r·min-1暗培養(yǎng)3 d，然后用4層無(wú)菌紗布過(guò)濾菌絲，濾液即為分生孢子液[19]。血細(xì)胞計(jì)數(shù)板測(cè)定孢子懸浮液的濃度，用無(wú)菌水將孢子懸浮液的濃度調(diào)至106個(gè)/mL。參考李俊香等的方法[18]，將孢子懸浮液充滿血細(xì)胞計(jì)數(shù)板的計(jì)數(shù)區(qū)，用顯微鏡觀察并計(jì)算計(jì)數(shù)區(qū)的大型分生孢子總數(shù)，然后將其放置在溫度為5、10、15、20、25、28、30、35、40 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，保濕培養(yǎng)。每處理3次重復(fù)。暗培養(yǎng)8 h 后，用顯微鏡觀察并計(jì)算計(jì)數(shù)區(qū)的已萌發(fā)的大型分生孢子數(shù)目。計(jì)算大型分生孢子萌發(fā)率，公式如下：

孢子萌發(fā)率（%）=（萌發(fā)的分生孢子數(shù)/分生孢子總數(shù)）×100

1.6.2 pH對(duì)菌絲體生長(zhǎng)的影響

參考李俊香等的方法[18]，用1 mol·L-1 NaOH溶液和1 mol·L-1 HCl溶液將PDA培養(yǎng)基的pH值依次調(diào)節(jié)為4.0、6.0、7.0、8.0、9.0、11.0。將病原菌菌餅依次接種至不同pH值的PDA平板中央，每處理3次重復(fù)。第5天用十字交叉法測(cè)量菌落的直徑，計(jì)算菌絲的日生長(zhǎng)量，觀察菌絲的生長(zhǎng)情況及菌落的顏色、形態(tài)等。

1.6.3 碳源對(duì)病原菌的影響

參考李俊香等的方法[18]，以察氏培養(yǎng)基（Czapek）為基本培養(yǎng)基，分別用等量的可溶性淀粉、麥芽糖、木糖、葡萄糖、乳糖、蔗糖和牛肉膏作為7種不同的碳源進(jìn)行碳源替換。將活化的病原菌菌餅依次接種至不同碳源的察氏培養(yǎng)基中央，每處理3次重復(fù)。從第1天開(kāi)始，每天同一時(shí)間觀察菌絲的生長(zhǎng)情況及菌落的顏色、形態(tài)等，第5天用十字交叉法測(cè)量菌落直徑。

1.6.4 氮源對(duì)病原菌的影響

方法同“1.6.3”節(jié)所述，分別用等量的硝酸鉀、硫酸銨、氯化銨、尿素、蛋白胨、酵母膏作為6種不同的氮源對(duì)察式培養(yǎng)基中的氮源進(jìn)行替換。將活化的病原菌菌餅依次接種至不同碳源的察氏培養(yǎng)基中央，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。從第1天開(kāi)始，每天同一時(shí)間觀察菌絲的生長(zhǎng)情況以及菌落的顏色、形態(tài)等，第5天用十字交叉法測(cè)量菌落直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 病害癥狀

自然條件下，玉米在大喇叭口期開(kāi)始發(fā)病，發(fā)病初期，葉鞘出現(xiàn)零星褐色小點(diǎn)，后逐漸擴(kuò)展，多個(gè)病斑匯合形成不規(guī)則形斑塊，蔓延至整個(gè)葉鞘（見(jiàn)圖1a），葉鞘內(nèi)側(cè)褐變重于葉鞘外側(cè)，伴隨著葉片上有零星斑點(diǎn)，主葉脈出現(xiàn)褐色病斑，并不斷延伸，最終布滿整個(gè)主葉脈（見(jiàn)圖1b）。在玉米感病植株中，病斑由下至上，發(fā)病后期可蔓延至雄穗，導(dǎo)致植株干腐死亡（見(jiàn)圖1c）。

2.2 病原菌分離鑒定

2.2.1 病原菌分離及形態(tài)學(xué)鑒定

通過(guò)10個(gè)發(fā)病葉鞘樣品的病菌分離，共得到8個(gè)菌株，菌落形態(tài)完全一致，經(jīng)單孢純化后得到1株鐮孢菌菌株（Fg-1）。Fg-1在PDA平板上25 ℃培養(yǎng)5 d，菌落呈圓形，菌絲生長(zhǎng)旺盛，分泌粉紅色色素，后期中央菌絲體由白色轉(zhuǎn)為淡黃色（見(jiàn)圖2a、2b）;分生孢子無(wú)色，呈鐮刀狀，有2～5個(gè)隔膜，中間寬兩頭尖，大型分生孢子大小為（3～6）μm×（14～35）μm，平均4.3 μm×24 μm;沒(méi)有觀察到小型分生孢子的出現(xiàn);無(wú)厚垣孢子（見(jiàn)圖2c）。

2.2.2 分子生物學(xué)鑒定

采用真菌通用引物ITS1和ITS4對(duì)Fg-1的16S rDNA-ITS區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增，1.0%凝膠電泳后，在500 bp處得到一條清晰的條帶（見(jiàn)圖3）。經(jīng)測(cè)序，菌株Fg-1的ITS片段長(zhǎng)度為521 bp，GenBank中的登錄號(hào)為MW133760。將菌株Fg-1的ITS序列與GenBank中的已知序列進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)與Fusarium graminearum（KY272768.1）相似度為99.42 %。用MEGA 7.0中的Neighbor-Joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)（見(jiàn)圖4），F(xiàn)g-1與F. graminearum FUS89（MK630106.1）、F. graminearum HS42（KY426428.1）聚在同一個(gè)分支上。綜上所述，明確將菌株Fg-1鑒定為禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）。

2.3 致病性測(cè)定

將分離得到的Fg-1菌株經(jīng)田間活體植株回接至玉米葉鞘上，接種5 d后，在接種部位均出現(xiàn)發(fā)病癥狀，病斑呈褐色不規(guī)則形，中央腐爛變干，與田間癥狀類似，對(duì)照不發(fā)病（見(jiàn)圖5）。從發(fā)病組織中均能再次分離得到與初分離菌株相同的分離物，符合柯赫氏法則，證明Fg-1菌株是引起玉米鞘腐病的致病原菌。

2.4 Fg-1生物學(xué)特性測(cè)定

2.4.1 溫度對(duì)菌絲生長(zhǎng)及分生孢子萌發(fā)的影響

溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，在10～35 ℃范圍內(nèi)，菌株Fg-1均能生長(zhǎng)，在20～30 ℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)較快，第5天菌落直徑大于6.0 cm，其中25 ℃菌落直徑為8.5 cm，說(shuō)明25 ℃時(shí)Fg-1生長(zhǎng)速度最快（見(jiàn)圖6）。5～10 ℃菌絲體生長(zhǎng)緩慢，35～40 ℃基本停止生長(zhǎng)。將5 ℃培養(yǎng)5 d的菌株Fg-1恢復(fù)至25 ℃培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)菌絲能繼續(xù)生長(zhǎng);而40 ℃下培養(yǎng)5 d的菌株移至25 ℃培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)菌絲停止生長(zhǎng)，說(shuō)明低溫只是延緩菌絲生長(zhǎng)，而高溫則容易導(dǎo)致菌株死亡。

在5～35 ℃，菌株Fg-1的分生孢子均能萌發(fā)，在20～28 ℃，萌發(fā)率較高（>25%），最適萌發(fā)溫度為25 ℃，萌發(fā)率達(dá)32%;而高于40 ℃時(shí)，分生孢子無(wú)法萌發(fā)。在一定溫度范圍內(nèi)，升高溫度對(duì)Fg-1的孢子萌發(fā)有促進(jìn)作用，但是溫度超過(guò)35 ℃，分生孢子的萌發(fā)將會(huì)受到嚴(yán)重抑制（見(jiàn)圖6）。

2.4.2 pH對(duì)菌絲生長(zhǎng)的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，病菌在pH值4.0～11.0范圍均能生長(zhǎng)，在pH值為6.0～9.0菌絲的生長(zhǎng)情況較好，其中最適生長(zhǎng)pH值為7.0，菌落在第5天直徑為8.37 cm，菌絲日生長(zhǎng)量1.67 cm，菌落飽滿，菌絲密度最大;過(guò)酸（pH=4.0）與過(guò)堿（pH=11.0）時(shí)，菌絲生長(zhǎng)較CK極顯著減緩，菌落厚度較?。ㄒ?jiàn)表1）。說(shuō)明菌株Fg-1生長(zhǎng)的最適pH值為7.0。

[pH值 菌落直徑/cm 菌絲日生長(zhǎng)量/cm·d-1 菌落厚度 CK 8.50±0.00 1.70±0.00 較厚 4.0 6.37±0.13** 1.27±0.02** 較薄 6.0 8.00±0.16* 1.60±0.03* 中等 7.0 8.37±0.12 1.67±0.02 中等 8.0 8.23±0.21 1.65±0.04 中等 9.0 8.03±0.05** 1.61±0.01** 中等 11.0 7.03±0.05** 1.41±0.01** 較薄 ][表1 不同pH條件下Fg-1的生長(zhǎng)情況][**表示與CK差異極顯著（P<0.01），*表示與CK差異顯著（P<0.01）]

2.4.3 碳源對(duì)Fg-1菌絲體生長(zhǎng)的影響

由圖7可以看出，菌株Fg-1在供試的7種碳源培養(yǎng)基上均可生長(zhǎng)，但生長(zhǎng)速度存在顯著差異。以牛肉膏為碳源時(shí)，菌絲生長(zhǎng)速度最快，菌絲生長(zhǎng)最旺盛，第5天菌落直徑達(dá)8.5 cm。以木糖為碳源時(shí)，菌絲生長(zhǎng)最慢，菌落直徑只有3.75 cm，菌落厚度偏薄。以蔗糖、可溶性淀粉為碳源時(shí)，菌絲生長(zhǎng)速度較慢，菌落直徑為7 cm左右，菌落厚度較厚，顏色為白色，色素積累較少。即Fg-1菌株對(duì)牛肉膏的吸收效率最高，對(duì)木糖的吸收效率最低。

2.4.4 氮源對(duì)Fg-1菌絲體生長(zhǎng)的影響

由圖8可以看出，菌株Fg-1在供試的6種氮源培養(yǎng)基上均能生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速度和菌落形態(tài)均存在顯著差異。其中，以酵母膏為氮源的培養(yǎng)基更有利于Fg-1的生長(zhǎng)，第5天菌落直徑達(dá)7.9 cm，菌絲生長(zhǎng)速度達(dá)1.56 cm·d-1，菌絲濃密，菌落較厚，分泌色素為淡粉色;其次是以硝酸鉀為氮源的培養(yǎng)基，其菌落直徑為6.5 cm，菌絲生長(zhǎng)速度1.3 cm·d-1，菌絲稀疏，菌落較薄，無(wú)色素分泌;以氯化銨為氮源的培養(yǎng)基，菌絲生長(zhǎng)速度最慢，只有0.9 cm·d-1，菌落出現(xiàn)水漬狀的形態(tài)，且菌絲稀疏，菌落較薄。

3 結(jié)論與討論

3.1 湖北荊州玉米鞘腐病病原菌的分離與鑒定

本課題組從湖北荊州地區(qū)采集到的玉米鞘腐病組織中分離得到1株真菌Fg-1，經(jīng)致病性驗(yàn)證、形態(tài)學(xué)鑒定及分子生物學(xué)鑒定，確定為禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）。2008年，徐秀德等從遼寧、吉林和黑龍江等地采集到玉米鞘腐病的病株，首次將玉米鞘腐病的病原菌鑒定為層出鐮孢菌（Fusarium proliferatum），該真菌的氣生菌絲為絨毛狀至粉末狀，培養(yǎng)基背面為橙黃色，有大小型分生孢子[6]。從玉米鞘腐病組織中分離得到禾谷鐮孢菌，本文屬首例報(bào)道。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，禾谷鐮孢菌分布廣泛，可為害多種植物，在小麥中，禾谷鐮孢菌主要引起赤霉病的發(fā)生，在開(kāi)花期侵染穗部小花，在籽粒灌漿成熟過(guò)程中不斷繁殖[20];在玉米中，該菌還可侵染根部[21]、莖部[22]、穗部[13]，造成侵染部位的腐爛，影響植株的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

3.2 病原菌Fg-1的生物學(xué)特性

據(jù)報(bào)道，引起茭白采后腐爛的禾谷鐮孢菌最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，致死溫度為55 ℃，最適產(chǎn)孢pH值為6.0[23];百合鱗莖禾谷鐮孢菌的最適生長(zhǎng)溫度為30 ℃，最適生長(zhǎng)pH值為8.0[24];四川雅安玉米青枯病致病菌禾谷鐮孢菌的最適生長(zhǎng)溫度為25～30 ℃，35 ℃生長(zhǎng)受到抑制，最適pH值為7.0，察氏培養(yǎng)基最適碳源為葡萄糖，最適氮源為蛋白胨，其次是以硝酸鉀和尿素為氮源[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米鞘腐病致病菌禾谷鐮刀菌（Fg-1）的最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃，致死溫度為40 ℃，最適pH值為7.0，察氏培養(yǎng)基最適碳源、氮源分別為牛肉膏、酵母膏。由此可見(jiàn)，相同培養(yǎng)條件下的禾谷鐮孢菌，在不同寄主和不同地區(qū)，其生物學(xué)特性有所不同，可能與該菌的寄主及其地區(qū)不同有關(guān)。

3.3 病害防治

湖北荊州地區(qū)的菌株Fg-1在5～35 ℃均能存活并且在pH值為4.0～11.0的條件下均能生長(zhǎng)，說(shuō)明荊州的禾谷鐮孢菌在玉米鞘腐病病殘?bào)w上可以安全越過(guò)冬夏，成為下一季植物的侵染源，并且荊州氣候潮濕，在夏季梅雨期更有利于禾谷鐮孢菌的萌發(fā)和生長(zhǎng)。隨著秸稈還田、免耕直播等技術(shù)的廣泛推廣及應(yīng)用，更會(huì)加重病菌在田間的繁殖。建議在發(fā)生病害的田間，不要采用秸稈還田、免耕直播等耕作方法。據(jù)報(bào)道，氰烯菌酯、氟唑菌酰羥胺、丙硫菌唑及氟環(huán)唑等殺菌劑均可以對(duì)禾谷鐮孢菌產(chǎn)生毒性，但是為了延緩抗藥性的產(chǎn)生，延長(zhǎng)殺菌劑的使用年限，高效防治禾谷鐮孢菌病害，建議在防治過(guò)程中輪換使用藥劑，或者將不同作用靶標(biāo)的藥劑混配使用[26]。

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