周嬡婷,王 芳,尹加筆,沈德周,馬煥成,伍建榕
(1.西南林業(yè)大學(xué) a.云南省高校森林災(zāi)害預(yù)警控制重點實驗室;b.西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室,云南 昆明 650224;2.德宏州林業(yè)和草原局,云南 德宏 678400)
油茶(Camellia oleifera)屬于山茶科(Theaceae)山茶屬(Camellia)[1],是我國特有的常綠四大本木油料樹種之一[2],其榨取的食用油素有“東方橄欖油”的美譽之稱,還可以用作醫(yī)療保健品、洗護產(chǎn)品、飼料等[3]。油茶集生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益于一身,對于推進山區(qū)綜合開發(fā)、維護國家糧油安全、改善人民健康狀況、促進農(nóng)民就業(yè)增收和加快國土綠化進程等都具有十分重要的作用[4]。近年來,隨著油茶的規(guī)模化種植,真菌性病害、細菌性病害、寄生性植物病害等隨之增加。真菌性病害是種類最多且最為嚴重的一類[5],如油茶軟腐病、油茶葉枯病、油茶炭疽病等,其中炭疽病又是最嚴重的病害之一,病原菌侵入以后,受害部位出現(xiàn)不規(guī)則的或半圓形的黑褐色輪紋斑,后期會產(chǎn)生小黑點,最終導(dǎo)致油茶落葉、落果,嚴重阻礙油茶產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
油茶作為德宏州的重要經(jīng)濟樹種,由于炭疽病的危害,全州油茶普遍呈現(xiàn)出產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降的趨勢。所以,為明確德宏州油茶炭疽病病原種類及特性,本研究擬采用組織分離法分離病原菌,結(jié)合形態(tài)學(xué)和ITS基因鑒定病原菌,并研究其生物學(xué)特性,以期為病害的綜合防控提供可靠的理論基礎(chǔ)。
1.1.1 供試病害葉片
2020年6—8月在云南省德宏州梁河縣中營油茶基地采集具有炭疽病典型癥狀的葉片,標本保存在西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性病理學(xué)實驗室。
1.1.2 培養(yǎng)基
PDA培養(yǎng)基:1 L的培養(yǎng)基含200 g馬鈴薯,20 g葡萄糖,15~20 g瓊脂;PSA培養(yǎng)基:1 L的培養(yǎng)基含200 g馬鈴薯,20 g蔗糖,15~20 g瓊脂;OA培養(yǎng)基:1 L的培養(yǎng)基含20 g燕麥,15~20 g瓊脂;以上培養(yǎng)基均121 ℃滅菌30 min。
1.2.3 儀器與試劑
儀器:高壓蒸汽滅菌鍋、超凈工作臺、接菌環(huán)、鑷子、培養(yǎng)箱、微波爐等。
試劑:1‰升汞溶液、75%乙醇、95%乙醇,去離子水,蒸餾水,用于真菌分子鑒定的試劑購自生工科技有限生物公司。
1.2.1 油茶炭疽病害野外調(diào)查
在德宏州梁河縣中營油茶基地開展油茶炭疽病害的調(diào)查工作,隨機取100株油茶樹,每株按東、西、南、北4個方向調(diào)查發(fā)病情況,病害分級標準參考表1進行劃分,發(fā)病率和病情指數(shù)[6]計算方法見式(1)和式(2)。
表1 林木病害分級標準Table 1 Standard for forest disease classification
式中:R為發(fā)病率;R1為調(diào)查病株數(shù);R2為調(diào)查植株總數(shù)。
式中:Q為病情指數(shù);Q1為各病級株數(shù);r1各級代表值;R2為調(diào)查植株總數(shù);r2為最高一級代表值。
1.2.2 油茶炭疽病原菌的分離和純化
利用組織分離法[7]分離培養(yǎng)病原菌,即用刀片取病健交界處的小塊組織。1)75%乙醇溶液消毒2~3 s,2)無菌水清洗,3)1‰升汞溶液浸泡1~6 min,4)無菌水清洗3遍以上,5)將組織塊轉(zhuǎn)移到PDA培養(yǎng)基中,25 ℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng),6)分離培養(yǎng)出的菌落進行2次以上純化,直至獲得純培養(yǎng)的菌落,4 ℃斜面保存。
1.2.3 油茶炭疽病原菌的形態(tài)鑒定及ITS序列分析
形態(tài)鑒定將病原菌轉(zhuǎn)接至PDA培養(yǎng)基上,觀察記錄菌落和分生孢子的形態(tài)特征。
ITS序列分析真菌DNA的提取參照真菌試劑盒方法進行。利用真菌通用引物18S[8]擴增ITS片段,反應(yīng)后的PCR產(chǎn)物送碩擎生物有限公司進行測序,所得序列在NCBI數(shù)據(jù)庫核酸BLAST進行比對分析和同源性搜索(網(wǎng)址:hhtp://www.ncli.nlm.nig.gov/),最后用Mega 6.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育聚類圖,明確菌株的分類地位。PCR反應(yīng)體系(50 μL):25 μL Mix,20 μL ddH2O,1.5 μL ITS1,1.5 μL ITS4,2 μL DNA模板。PCR反應(yīng)條件:94 ℃變性3 min,94 ℃變性30 s,56 ℃退火40 s,72 ℃延伸l min,共35個循環(huán);72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。
1.2.4 病原菌致病性測定及復(fù)合侵染
致病性驗證采用柯赫氏法則[9]將培養(yǎng)獲得的病原菌回接油茶葉片以檢測其致病性。取健康的油茶葉片,用無菌水沖洗葉片,接著用75%的乙醇進行表面消毒,再次用無菌水沖洗3遍以上,最后用接種針在葉片中央刺傷4個小孔,備用。純培養(yǎng)病原菌于25 ℃培養(yǎng)箱活化培養(yǎng)5~7 d后,用打孔器制成直徑5 mm的菌餅,接種在葉片刺傷位置處,每處理3重復(fù)。復(fù)合侵染在同一葉片的刺傷位置先接種2.5 mm大小的病原菌塊(菌株DHYC14),再接種2.5 mm大小的病原菌塊(菌株DHYC30);反之,先接種2.5 mm大小的病原菌塊(菌株DHYC30),再接種2.5 mm大小的病原菌塊(菌株DHYC14),每處理3個重復(fù)。待葉片發(fā)病,病斑擴大,菌絲生長后,再次對病原菌進行鑒定,檢測是否為最初接種的菌株。
1.2.5 病原菌生物學(xué)特性研究
1)不同培養(yǎng)基類型及PDA培養(yǎng)基上溫度、pH和光照對病原菌的影響
用打孔器將病原菌純培養(yǎng)菌落制成6 mm大小的菌絲塊,分別移至新的PDA、PSA、OA培養(yǎng)皿中央,25 ℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng);PDA培養(yǎng)基分別設(shè)置5、10、15、20、25、30、35、40 ℃共8個溫度梯度;用1 mol/L HCl 和1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)PDA培養(yǎng)基的酸堿度,分別設(shè)置5、7、9、11、13共5個處理,25 ℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng);設(shè)置連續(xù)光照、連續(xù)黑暗和光照黑暗12 h交替3個處理,25 ℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng);以上每處理5重復(fù),培養(yǎng)5 d后用十字交叉法[10]測量菌落的直徑大小。
2)不同碳源和氮源對病原菌生長的影響
以Czapek培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基[11]。以等量的葡萄糖、甘露醇、可溶性淀粉替換蔗糖,無碳源為對照,制成不同碳源培養(yǎng)基;以等量的蛋白胨、牛肉膏、甘氨酸替換硝酸鈉,無氮源為對照,制成不同氮源培養(yǎng)基;以上每處理5重復(fù),25 ℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng),5 d后用十字交叉法[10]測量菌落的直徑大小。
采用Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)及制作圖表,SPSS Statistics 17.0軟件進行單因素ANOVA Duncan’s多重顯著性分析,差異水平為P<0.05。
調(diào)查結(jié)果顯示,隨機抽取的100株油茶植株的發(fā)病率和病情指數(shù)分別為84%和33,可以看出該地區(qū)油茶炭疽病害發(fā)生嚴重。調(diào)查期間,主要危害葉片。多于葉緣或葉尖處發(fā)生,初期有褐色小斑點出現(xiàn),隨著時間的遞增,逐漸擴大為不規(guī)則的褐色大病斑,并呈現(xiàn)出不規(guī)則的輪紋斑(圖1A~B);后期病斑中央變成灰褐色,著生小黑點,葉背面隆起(圖1C)。
圖1 油茶炭疽病林間發(fā)病癥狀Fig.1 The symptoms of C.oleifera anthracnose in forest
從疑似炭疽病的葉片中共分離到23株病原菌,選擇菌落形態(tài)不同的代表菌株DHYC14和DHYC30做為供試菌株,用于完成后續(xù)分析。
形態(tài)學(xué)鑒定兩株病原菌在PDA培養(yǎng)基上的菌落及分生孢子的形態(tài)特征均不同,結(jié)果見圖2和圖3。
由圖2可以看出,菌株DHYC14在PDA培養(yǎng)基上,菌落呈圓形,初期氣生菌絲白色,棉花狀,菌落正反面有明顯的輪紋圈;生長后期,菌絲變?yōu)闇\灰色,背面中央處有黑褐色色素沉淀,且菌落邊緣有橘黃色的油滴狀外滲物,為分生孢子液滴(圖2A);病原菌分生孢子盤蝶形、散生,未觀察到剛毛,分生孢子梗光滑,無色,長短不一(圖2B);分生孢子無色,卵圓或長圓形,大小為(15.1~18.0) μm × (4.4~5.8) μm(圖2C)。
圖2 菌株DHYC14菌落及分生孢子形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of colony and conidia for strain DHYC14
圖3顯示,菌株DHYC30在PDA培養(yǎng)基上,菌落圓形,初期菌絲白色,絮狀,正反面有明顯的輪紋圈;后期,菌落逐漸變?yōu)殚冱S色,菌落中央有淡黃色透明滲出物,為分生孢子液滴(圖3A)。病原菌分生孢子盤墊狀,分生孢子梗簡短,光滑,無色,見黑褐色剛毛著生(圖3B);分生孢子卵圓形,單孢,無色,兩端鈍圓或一端略尖,大小為(11.0~15.1) μm × (3.1~5.0) μm(圖3C)。
圖3 菌株DHYC30菌落及分生孢子形態(tài)Fig.3 Morphological characteristics of colony and conidia for strain DHYC30
通過NCBI中核酸BLAST比對分析病原菌的ITS基因發(fā)育系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)菌株DHYC14與菌株jpsk12、YC07、XJ-1-4、P-35、HNJF-3的序列相似性均為100%,且與Colletotrichum fructicola種的菌株聚為一支,結(jié)合形態(tài)學(xué)(圖2)將菌株DHYC14鑒定為果生炭疽菌(C.fructicola)。菌株DHYC30與菌株CBS 125378和C1276.1的序列相似性均為99.7%,且與C.siamense種的菌株聚為一支,結(jié)合形態(tài)學(xué)(圖3)將菌株DHYC30鑒定為暹羅炭疽菌(C.siamense)。
圖4 兩株病原菌的ITS基因系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.4 Phylogenetic tree of Colletotrichum strains based on ITS genes
圖5 病原菌回接油茶離體葉片效果Fig.5 The effects of different pathogen inoculation on detached leaves of C.oleifera
兩株病原菌回接后均能引起健康葉片產(chǎn)生輪紋狀病斑,且與林間發(fā)病的癥狀相似,而對照在回接的整個過程均未發(fā)病,顏色仍未亮綠色,說明兩株病原菌都是致病菌?;亟拥? d,菌株DHYC14產(chǎn)生的病斑為6.17 mm,顯著高于菌株DHYC30的病斑5.00 mm,說明前者的致病力強于后者。復(fù)合侵染顯示,接種DHYC14+DHYC30產(chǎn)生的病斑為2.25 mm,接種DHYC30+DHYC14產(chǎn)生的病斑為2.17 mm(圖6),可以看出混合接種病原菌所產(chǎn)生的病斑明顯小于單獨接種病原菌的。對回接后的病原菌再次進行分離培養(yǎng),經(jīng)鑒定仍為最初接種的菌株,完成科赫氏法則驗證。
圖6 病原菌回接油茶葉片的病斑大小Fig.6 The lesion diameter of C.oleifera leaves inoculated with pathogens
2.4.1 不同培養(yǎng)基類型對病原菌生長的影響
圖7顯示,兩株病原菌在3種培養(yǎng)基上的生長表現(xiàn)不同。菌株DHYC14和DHYC30在PDA培養(yǎng)基上菌絲生長速率最快,分別為14.47、12.27 mm/d,PSA培養(yǎng)基次之,分別為13.77、12.1 mm/d,但兩株病原菌在PDA和PSA培養(yǎng)基上的生長均無顯著性差異;OA培養(yǎng)基上,兩株菌的生長明顯受到抑制,且培養(yǎng)基上菌落稀疏,菌絲顏色極淺,菌株DHYC14和DHYC30的菌落直徑分別為49.67、53.67 mm。
圖7 培養(yǎng)基類型對病原菌絲生長的影響Fig.7 The effects of different culture medium on the growth of pathogens
2.4.2 溫度、pH和光照對病原菌生長的影響
圖8可以看出,10~35 ℃范圍內(nèi),兩株病原菌均能正常生長。菌株DHYC14的最適生長溫度是25 ℃,此時菌落直徑最大,為72.67 mm,繼續(xù)升高溫度后,菌絲生長受限變得明顯,40 ℃時,菌絲不生長,轉(zhuǎn)移到25 ℃后,仍然不能生長,認為40 ℃為該菌株的致死高溫;5 ℃時,未觀察到菌絲生長,轉(zhuǎn)移至25 ℃培養(yǎng)箱,菌絲能正常生長,認為5 ℃只是抑制了菌絲的生長,并非致死低溫。菌株DHYC30的最適生長溫度是30 ℃,菌落直徑最大,達65.83 mm。同樣發(fā)現(xiàn),40 ℃是該菌株的致死高溫,5 ℃仍未為抑制低溫,而非致死低溫。
圖8 不同溫度條件對病原菌絲生長的影響Fig.8 The effects of different temperature conditions on the growth of pathogens
圖9顯示,連續(xù)光照和連續(xù)黑暗對菌株DHYC14的菌絲生長無影響,而12 h光暗交替處理的菌落直徑最小,為77.00 mm;光照不影響菌株DHYC30的生長,其菌落直徑在63.67~64.00 mm范圍內(nèi)波動。
圖9 不同光照條件對病原菌絲生長的影響Fig.9 The effects of different light conditions on the growth of pathogens
不同酸堿度處理(圖10)表明,兩株病原菌在pH 5~13范圍內(nèi)均能正常生長,但最適pH條件不同。菌株DHYC14在pH 5~7之間,菌落直徑為70.17~71.00 mm,顯著大于其他處理組。相反,菌株DHYC30則是在一定堿性環(huán)境下表現(xiàn)出較好的生長勢,pH 11為最適生長條件,菌落直徑達58.50 mm,pH 13時,菌落直徑表現(xiàn)出下降的趨勢。
圖10 不同pH值對病原菌絲生長的影響Fig.10 The effects of different pH values on the growth of pathogens
2.4.3 不同碳源和氮源對病原菌生長的影響
如圖11所示,兩株病原菌在不同碳源培養(yǎng)基上的生長勢各不相同。菌株DHYC14在無碳源(CK)上生長最差,該培養(yǎng)基上菌落十分稀疏,顏色極淺;蔗糖、淀粉、甘露醇作為碳源時,該病原菌絲的生長無顯著差異,直徑在70.83~74.17 mm之間;當(dāng)葡萄糖作為碳源時,菌落的直徑顯著低于其他處理組(CK除外),為66.33 mm。菌株DHYC30在無碳源(CK)上生長最差,菌落極其稀疏,顏色極淺;甘露醇為碳源時,生長最快,直徑為64.17 mm,葡萄糖為碳源時,直徑為59.00 mm,顯著低于甘露醇,而蔗糖和淀粉為碳源的培養(yǎng)基上,菌落直徑介于二者之間。
圖11 不同碳源培養(yǎng)基對病原菌絲生長的影響Fig.11 The effects of different carbon sources on the growth of pathogens
如圖12所示,菌株DHYC14在蛋白胨和甘氨酸為氮源的條件下,生長速率最快,菌落直徑分別為71.17、70.83 mm,且菌絲較為密集,顯著優(yōu)于在牛肉膏和硝酸鈉培養(yǎng)基上的生長;無氮源(CK)條件下,菌落十分稀疏,顏色極淺,但菌絲直徑達67.5 mm。菌株DHYC30在以蛋白胨和硝酸鈉為氮源時,病原菌的生長顯著優(yōu)于其他氮源處理,牛肉膏為氮源條件下,菌落直徑最小,為48.33 mm;無氮源(CK)時,菌落直徑雖為65.83 mm,但菌落極其稀疏,菌絲顏色極淺,生長勢最弱。
圖12 不同氮源培養(yǎng)基對病原菌絲生長的影響Fig.12 The effects of different nitrogen sources on the growth of pathogens
本次研究通過形態(tài)學(xué)結(jié)合分子生物學(xué)的方法明確了德宏州油茶炭疽病的病原是果生炭疽菌(C.fructicola)和暹羅炭疽菌(C.siamense)。回接油茶葉片發(fā)現(xiàn),兩株病原菌都能引起健康油茶葉片發(fā)病,認為二者均為致病菌,且菌株DHYC14(C.fructicola)的致病力比菌株DHYC30(C.siamense)的強。此外,兩株病原菌在生物學(xué)特性方面存在差異。菌株DHYC14(C.fructicola)的最適培養(yǎng)基是PDA,連續(xù)黑暗條件下生長最好,最適生長溫度為25 ℃,喜弱酸性環(huán)境pH 5~7,在以蔗糖為碳源、蛋白胨為氮源的培養(yǎng)基上長勢最優(yōu)。DHYC30(C.siamense)的最適培養(yǎng)基是PDA,光照對該病原菌絲生長無顯著性影響,最適生長溫度為30 ℃,喜弱堿性環(huán)境pH 11,最佳碳、氮源培養(yǎng)基分別為甘露醇、蛋白胨和硝酸鈉。
炭疽菌寄生范圍十分廣范,危害世界各地的作物,經(jīng)濟損失嚴重。油茶炭疽病是影響油茶產(chǎn)量和品質(zhì)的主要及重要病害之一,但未見德宏州油茶炭疽病病原研究的相關(guān)報道。明確病害的病原是研究其發(fā)病規(guī)律和制定有效防治措施的前提。所以,本研究通過形態(tài)學(xué)結(jié)合分子生物學(xué)的方法明確了德宏州油茶炭疽病的病原是果生炭疽菌(C.fructicola)和暹羅炭疽菌(C.siamense),前人研究表明油茶炭疽病的病原菌多為這兩種菌群,如李楊等[12]共分離獲得海南省油茶炭疽病病原34株,其中19株為果生炭疽菌(C.fructicola),14株為暹羅炭疽菌(C.siamense);李河等[13]報道了湖南和廣西油茶炭疽病的病原均為暹羅炭疽菌(C.siamense);李河等[14]對湖南省9個油茶主產(chǎn)區(qū)的炭疽病病原進行研究發(fā)現(xiàn),果生炭疽菌(C.fructicola)的分離率最高,為64.5%,且在8個主產(chǎn)區(qū)均有分布,暹羅炭疽菌(C.siamense)的分離率次之,為14.5%,在6個采集地中都有分離到。這與諸多學(xué)者認為膠孢炭疽菌(C.gloeosporioides)才是引起油茶炭疽病的結(jié)論略有不同[15],但也可能是因地理來源不同而存在差異。
顯微形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),兩株病原菌的分生孢子中間都有油滴。菌株DHYC14(C.fructicola)的分生孢子無色、長圓形,無隔,大小在(15.1~18.0) μm×(4.4~5.8) μm,與學(xué)者研究相吻合[16];菌株DHYC30(C.siamense)的分生孢子卵圓形,單孢,無色,兩端鈍圓或一端略尖,大小為(11.0~15.1) μm×(3.1~5.0) μm,與Carbone等[17]的研究結(jié)果相符。致病性測定結(jié)果顯示,兩株病原菌都能引起健康油茶葉片發(fā)病,均為致病菌,且菌株DHYC14(C.fructicola)的致病力比菌株DHYC30(C.siamense)的強,這與李向陽[18]研究結(jié)果相一致,也有學(xué)者認為炭疽菌種類多樣,部分形態(tài)、致病性、致病力存在較大的差異[19-20];單獨接種病原菌產(chǎn)生的病斑明顯大于混合接種的,這與廖旺姣等[21]發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相一致,本文認為同屬不同種之間的病原菌可能存在拮抗作用,有待進一步研究。
通過對果生炭疽菌(C.fructicola)和暹羅炭疽菌(C.siamense)的生物學(xué)特性研究明確了菌株DHYC14(C.fructicola)最佳培養(yǎng)基是PDA;最適溫度為25 ℃,溫度為5 ℃或40 ℃時菌絲均無法正常生長,這與宋麗麗等[22]對草莓果生炭疽菌(C.fructicola)生物學(xué)特性研究略有差異,該學(xué)者認為病原菌(C.fructicola)的最適生長溫度是25~30 ℃,但菌株DHYC14的菌絲在25 ℃的長勢優(yōu)于30 ℃;最適pH為7,適宜在弱酸性環(huán)境(pH 5~7)生長,與劉倩麗等[16]、李沛利等[23]研究結(jié)果相似;連續(xù)黑暗條件下更有利于該病原菌絲的生長,與劉倩麗等[16]研究結(jié)果相反;碳源以蔗糖為最適,氮源以蛋白胨為最適,與李沛利等[23]的結(jié)果相符。菌株DHYC30(C.siamense)的最適培養(yǎng)基為PDA,最不適合OA培養(yǎng)基;最適溫度為30 ℃,5 ℃或40 ℃條件下,菌絲均無法正常生長;適宜弱堿性環(huán)境(pH 9~11),最適pH為11;光照不影響病原菌絲的生長;可以利用多種碳、氮源,特別對碳源的營養(yǎng)要求不高,以甘露醇為最適;氮源以蛋白胨和硝酸鈉為最適,這與羅敦文[24]研究結(jié)果相符。上述結(jié)果與前人研究結(jié)果略有不同之處的原因可能是與菌株的地理來源、分離的部位及不同菌株特性不同等有關(guān)。
本文明確了德宏州油茶炭疽病的病原種類,而生物學(xué)特性方面筆者只從種間的病原菌角度出發(fā)探討了溫度、pH值、光照、不同培養(yǎng)基、不同碳源和氮源對德宏州油茶炭疽病原菌絲生長的影響,存在一定的局限性,但是,這為德宏州油茶炭疽病的預(yù)測和防治提供了重要的理論依據(jù)。下一步工作將從油茶炭疽病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、炭疽病原菌的侵染過程及致病機理等方面深入開展,同時,種內(nèi)不同地理來源病原菌的生物學(xué)特性及致病力有待進一步研究。通過本次研究結(jié)果可推測林間條件的變化與油茶炭疽病的流行有著密切的關(guān)系,德宏州夏季高溫多雨為炭疽病的流行蔓延創(chuàng)造了條件,因此,在病害發(fā)生前期,應(yīng)加強營林管理措施,保證林間的通風(fēng)透光,盡量減少因病害造成的經(jīng)濟損失。