王麗瑋 萬中義 宋亞迪 修志君 于世成 杜美娥 張笑宇*
(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010019;2 湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心,湖北武漢 430070;3 鄂爾多斯生態(tài)環(huán)境職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017010)
馬鈴薯(L.)是一種重要的全球性作物,在國(guó)內(nèi)外大面積種植,其種植面積僅次于水稻、小麥和玉米,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。2018 年全球馬鈴薯產(chǎn)量約為3.68 億t,我國(guó)馬鈴薯總產(chǎn)量達(dá)9 000 萬t,成為馬鈴薯產(chǎn)量第一大國(guó)(Liu et al.,2020;Li et al.,2021)。
馬鈴薯瘡痂?。╬otato common scab)是由多種植物病原鏈霉菌(spp.)引起的世界范圍內(nèi)重要的土傳病害,被稱為馬鈴薯第四大病害,發(fā)生日趨嚴(yán)重(Chi et al.,2021),給全世界各馬鈴薯產(chǎn)區(qū)帶來了嚴(yán)重威脅(Dees &Wanner,2012)。馬鈴薯感染瘡痂病菌后,在塊莖表面形成木栓狀隆起、凹陷或平狀病斑(Kinga &Calhoun,2005),對(duì)馬鈴薯的品質(zhì)造成影響,降低其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在美國(guó),瘡痂病是馬鈴薯五大病害之一(Wanner,2009)。加拿大82%的馬鈴薯生產(chǎn)區(qū)都會(huì)發(fā)生馬鈴薯瘡痂病,每年因該病害造成的經(jīng)濟(jì)損失在1 530 萬~1 730 萬美元之間(Hill &Lazarovits,2005)。我國(guó)多個(gè)省份報(bào)道有該病的發(fā)生(杜魏甫,2016),在內(nèi)蒙古自治區(qū),馬鈴薯瘡痂病的發(fā)生尤為嚴(yán)重,商品田發(fā)生面積達(dá)16.6 萬hm,種薯田發(fā)生面積為0.07 萬hm(張建平 等,2018),一些馬鈴薯微型薯種植區(qū)的發(fā)病率已高達(dá)90%(梁宏杰 等,2021)。尋找一種綠色高效的瘡痂病防治方法,成為了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題。
使用抗病品種是馬鈴薯瘡痂病最經(jīng)濟(jì)有效的防治措施,但是抗瘡痂病的馬鈴薯品種較少,且未發(fā)現(xiàn)對(duì)瘡痂病菌具有完全抗性的品種(Dees &Wanner,2012)。有的采用輪作和降低土壤pH 值的方法,但效果不理想(陳利達(dá) 等,2020);化學(xué)防治在一定程度上可減輕該病害的發(fā)生,但不能達(dá)到徹底防治的目的,使用不當(dāng)還會(huì)產(chǎn)生副作用(李爽 等,2018;Yang et al.,2021);生物防治不會(huì)造成環(huán)境污染和毒素殘留,可連續(xù)持久地控制該病害(Alamri et al.,2012)。近年來的研究結(jié)果表明,生防菌芽孢桿菌(spp.)對(duì)馬鈴薯瘡痂病有明顯的防治效果,包括側(cè)孢芽孢桿菌()(Chen et al.,2017)、解淀粉芽孢桿菌()(Lin et al.,2018)和高地芽孢桿菌()(Li et al.,2019)等。此外,一些非致病鏈霉菌也可有效地防治馬鈴薯瘡痂病,如玫瑰黃鏈霉菌()Menmyco-93-63 發(fā)酵液與蛭石混合后對(duì)馬鈴薯瘡痂病的防效為49.02%(許華民,2015);橄欖色鏈霉菌()和褶皺鏈霉菌()也被報(bào)道具有抗馬鈴薯瘡痂病菌的活性(Zadeh et al.,2006)。
內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病理學(xué)課題組前期從馬鈴薯瘡痂病病斑上分離到1 株生防鏈霉菌PBSH9,經(jīng)鑒定為鏈霉菌的1 個(gè)新種(Zhang et al.,2020),命名為sp.nov.(登錄號(hào):JAKZEO000000000)。本試驗(yàn)研究該生防菌及其代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌形態(tài)的影響,并用單因素試驗(yàn)優(yōu)化PBSH9 的發(fā)酵條件,為該生防菌的研發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
生防鏈霉菌PBSH9(sp.nov),馬鈴薯瘡痂病菌加利利鏈霉菌PS1(),均由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病理實(shí)驗(yàn)室分離保存。
高氏1 號(hào)培養(yǎng)基:MgSO·7HO 0.5 g、FeSO·7HO 0.01 g、KNO1 g、NaCl 0.5 g、KHPO0.5 g、淀粉20 g、瓊脂15 g、蒸餾水1 000 mL,121 ℃下滅菌30 min。
ISP培養(yǎng)基:葡萄糖4 g、酵母浸粉4 g、麥芽浸粉10 g、瓊脂16 g、蒸餾水1 000 mL,121 ℃下滅菌30 min。
1.3.1 生防鏈霉菌PBSH9 對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1的抑制作用 2021 年6月利用平板對(duì)峙法評(píng)價(jià)菌株P(guān)BSH9 對(duì)病原菌PS1 的抑制作用。將PS1 置于液體ISP培養(yǎng)基中28 ℃振蕩培養(yǎng)2 d,使其菌懸液濃度為1 × 10cfu·mL,再取200 μL 菌懸液均勻涂在ISP固體培養(yǎng)基上,用直徑為5 mm 的無菌打孔器取菌株P(guān)BSH9 菌餅,倒置于涂有PS1 的ISP固體培養(yǎng)基平板中央,以沒有菌的固體培養(yǎng)基作對(duì)照,設(shè)置5 個(gè)重復(fù),28 ℃培養(yǎng)3 d,觀察抑菌效果。將菌株P(guān)BSH9連續(xù)培養(yǎng)3 代,用相同的方法觀察PBSH9 對(duì)PS1 抑制效果的穩(wěn)定性,十字交叉法測(cè)量抑菌圈直徑,計(jì)算抑制率,并在光學(xué)顯微鏡下觀察PS1 的菌絲和分生孢子形態(tài)變化。
1.3.2 生防鏈霉菌PBSH9 代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 的抑制作用 將菌株P(guān)BSH9 接種在固體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基上,28 ℃下培養(yǎng)3 d,取2 個(gè)直徑為5 mm 的菌餅,置于80 mL 液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中,180 r·min、28 ℃恒溫下振蕩培養(yǎng)。從0 h 開始每隔12 h 取樣測(cè)定菌液在波長(zhǎng)為600 nm 處的吸光值(OD),繪制生長(zhǎng)曲線,確定PBSH9 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,并以此時(shí)期的菌懸液作為后續(xù)培養(yǎng)試驗(yàn)的種子液。每組試驗(yàn)3 次重復(fù)。
每100 mL 液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中接入5 mL OD在1.189 左右的PBSH9種子液,28 ℃振蕩培養(yǎng)5 d,10 000 r·min離心10 min,取上清液,再用孔徑為0.22 μm 的過濾器將其過濾,得到PBSH9 代謝物,置于滅菌的離心管中,4 ℃保存 備用。
以打孔法檢測(cè)代謝物的抑菌活性。向直徑為90 mm 的培養(yǎng)皿中倒入20 mL 固體ISP培養(yǎng)基,待培養(yǎng)基凝固后取200 μL 病原菌PS1(1 × 10cfu·mL)菌液均勻地涂在培養(yǎng)基表面,用滅菌的打孔器在距離平板中央2 cm 處分別打3 個(gè)直徑為5 mm的孔,向孔中分別注入菌株P(guān)BSH9 的代謝物、125 μg·mL氯霉素(陽性對(duì)照,CK1)、液體高氏1號(hào)培養(yǎng)基(空白對(duì)照,CK2)各100 μL。3 次重復(fù)。28 ℃恒溫培養(yǎng)2 d,十字交叉法測(cè)量抑菌圈直徑,計(jì)算抑制率。同時(shí)在光學(xué)顯微鏡下觀察PS1 的菌絲和分生孢子形態(tài)。
1.3.3 生防鏈霉菌PBSH9 培養(yǎng)條件的優(yōu)化 ①培養(yǎng)時(shí)間及接種量對(duì)PBSH9 抑菌活性的影響。在100 mL 液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中,分別接入OD約為1.189 的PBSH9 種子液3、5、7、9 mL,180 r·min、28 ℃條件下振蕩培養(yǎng)1~12 d,每隔24 h 取1 次樣,10 000 r·min條件下離心10 min 后用孔徑為0.22 μm 的過濾器過濾得到代謝物,置于滅菌的離心管中,4 ℃保存?zhèn)溆?。按?.3.2 的方法在涂有病原菌PS1 的固體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基上打孔,每個(gè)孔中接入100 μL 代謝物,28 ℃恒溫培養(yǎng)3 d。以抑菌圈直徑判斷最優(yōu)培養(yǎng)時(shí)間及接種量。每組試驗(yàn)3 次重復(fù)。
② 培養(yǎng)溫度對(duì)PBSH9 抑菌活性的影響。在100 mL 液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中接入7 mL PBSH9 種子液,轉(zhuǎn)速為180 r·min,設(shè)置溫度梯度為22、25、28、31 ℃和34 ℃,分別振蕩培養(yǎng)9 d,按照①中的方法獲得代謝物并用打孔法判斷最優(yōu)培養(yǎng)溫度。每個(gè)處理3 次重復(fù)。
③培養(yǎng)基pH 對(duì)PBSH9 抑菌活性的影響。調(diào)節(jié)液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基的pH 為4~12,每個(gè)pH 梯度分別接入7 mL PBSH9 種子液,180 r·min、28 ℃條件下振蕩培養(yǎng)9 d,按照①中的方法獲得代謝物并用打孔法判斷最優(yōu)培養(yǎng)pH。每個(gè)處理3次重復(fù)。
試驗(yàn)結(jié)果利用Excel 2010 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果利用SPSS 20.0.0分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。
PBSH9 對(duì)病原菌PS1 具有顯著的抑制作用,培養(yǎng)3 代的抑制率均大于70%,一代、二代、三代的抑制率分別為74.79%、74.13%、75.00%,抑制效果穩(wěn)定,三者間無顯著差異。由圖1 可知,PBSH9 對(duì)PS1 菌絲有明顯的致畸作用,氣生菌絲與基內(nèi)菌絲都會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)畸形的情況,菌絲發(fā)生交聯(lián),基內(nèi)菌絲交聯(lián)尤其嚴(yán)重(圖1-E、1-F);氣生菌絲變短、由彎變直、明顯膨脹變粗,且菌絲出現(xiàn)斷裂,原生質(zhì)滲漏(圖1-E)。此外,PBSH9 會(huì)使PS1 的孢子變形,產(chǎn)孢數(shù)量降低。共培養(yǎng)24 h 時(shí),與對(duì)照(圖1-G)相比,孢子變小且數(shù)量明顯減少(圖1-H)。
圖1 生防鏈霉菌PBSH9 對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 的影響
2.2.1 生防鏈霉菌PBSH9 的生長(zhǎng)曲線 如圖2 所示,PBSH9 在液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中培養(yǎng),培養(yǎng)0~24 h 為菌株緩慢增長(zhǎng)期;培養(yǎng)36~72 h 菌株生長(zhǎng)速度最快,為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期;72 h 后菌液OD值趨于穩(wěn)定,菌株生長(zhǎng)處于穩(wěn)定期。
圖2 生防鏈霉菌PBSH9 的生長(zhǎng)曲線
2.2.2 生防鏈霉菌PBSH9 代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 的抑制作用 由圖3 可見,PBSH9 代謝物對(duì)病原菌PS1 有較強(qiáng)的抑制作用,平均抑菌圈直徑20.17 mm,抑制率為75.21%,顯著高于陽性對(duì)照氯霉素對(duì)PS1 的抑制率59.45%(平均抑菌圈直徑12.33 mm)。由圖4 可知,經(jīng)PBSH9 代謝物處理后,PS1 的菌絲畸形,膨脹變粗、變短,出現(xiàn)嚴(yán)重的交聯(lián)、斷裂,產(chǎn)孢量降低,孢子由圓形變?yōu)樗螤?。?jīng)氯霉素處理的PS1 菌絲也會(huì)畸形,與PBSH9 代謝物處理相比菌絲會(huì)更粗,有少數(shù)菌絲會(huì)斷裂,孢子變?yōu)樗笮?,中間粗,兩端較細(xì)。此外,PBSH9抑制了PS1 的菌絲生長(zhǎng),在透明抑菌圈內(nèi)可以觀察到少量的PS1 孢子,將抑菌圈內(nèi)的孢子轉(zhuǎn)移到新的ISP培養(yǎng)基中培養(yǎng)2 d,發(fā)現(xiàn)有菌落長(zhǎng)出,說明抑菌圈內(nèi)的孢子仍有活性(圖5)。
圖3 生防鏈霉菌PBSH9 代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 的抑制作用
圖4 生防鏈霉菌PBSH9 代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 的影響
圖5 生防鏈霉菌PBSH9 代謝物對(duì)抑菌圈內(nèi)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 孢子的影響
2.3.1 培養(yǎng)時(shí)間及接種量對(duì)生防鏈霉菌PBSH9 代謝物抑菌活性的影響 不同培養(yǎng)時(shí)間及接種量都會(huì)對(duì)PBSH9 代謝物的抑菌效果產(chǎn)生影響(表1),當(dāng)PBSH9 種子液接種量為3 mL 時(shí),培養(yǎng)9 d 的代謝物的抑菌效果最好,抑菌圈直徑為22.67 mm;接種量為5 mL 時(shí),培養(yǎng)3 d 和4 d 的抑菌圈不清晰,但較大(圖6),培養(yǎng)5 d 時(shí),抑菌圈內(nèi)無菌絲生長(zhǎng),對(duì)病原菌的抑制效果最好,抑菌圈直徑為19.83 mm;接種量為7 mL、培養(yǎng)9 d 和10 d 時(shí)代謝物的抑菌效果較好,抑菌圈直徑分別為24.00 mm 和23.17 mm;接種量為9 mL、培養(yǎng)6 d 和7 d 時(shí)抑菌圈直徑分別為20.50 mm 和19.83 mm。綜合比較,每100 mL 液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中接入7 mL 種子液,培養(yǎng)9 d 時(shí)代謝物的抑菌效果最好。
圖6 接種量為5 mL 培養(yǎng)3 d(左)和4 d(右)時(shí)生防鏈霉菌PBSH9 的抑菌活性
表1 培養(yǎng)時(shí)間及接種量對(duì)生防鏈霉菌PBSH9 代謝物抑菌圈直徑的影響 mm
2.3.2 培養(yǎng)溫度對(duì)生防鏈霉菌PBSH9 抑菌活性的影響 當(dāng)培養(yǎng)溫度為28 ℃時(shí)PBSH9 代謝物的抑菌效果最好,抑菌圈直徑最大,為23.67 mm。溫度升高或降低,其抑菌活性都有所下降(圖7)。
圖7 培養(yǎng)溫度對(duì)生防鏈霉菌PBSH9 抑菌活性的影響
2.3.3 培養(yǎng)基pH 對(duì)生防鏈霉菌PBSH9 抑菌活性的影響 由圖8 可知,PBSH9 在培養(yǎng)基pH 為4~12的范圍內(nèi)都可生長(zhǎng),當(dāng)pH 為7 時(shí),PBSH9 代謝物的抑菌效果最好,抑菌圈直徑最大,為23.67 mm。酸性和堿性培養(yǎng)條件下抑菌活性都有所下降。
圖8 培養(yǎng)基pH 對(duì)生防鏈霉菌PBSH9 抑菌活性的影響
瘡痂病在世界范圍內(nèi)給馬鈴薯生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,在眾多的防治措施中,生物防治備受學(xué)者關(guān)注。非致病鏈霉菌屬于土壤習(xí)居菌,能在致病鏈霉菌存在的地方生存,因此作為生防菌具有一定的優(yōu)勢(shì)(楊冰 等,2021)。Kobayashi 等(2012)從野生燕麥栽培地分離出的鏈霉菌sp.WoRs-501 對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌有較強(qiáng)的抑制作用,與干土混合后可使病害嚴(yán)重程度降低78%~94%。劉萍萍(2016)發(fā)現(xiàn)鏈霉菌sp.CC5 可以抑制馬鈴薯瘡痂病菌的生長(zhǎng),抑菌圈大小為10.5 mm,經(jīng)紫外誘變后,該鏈霉菌的抑菌作用提高了25%,且經(jīng)過傳代培養(yǎng)10 代后,抑菌作用沒有減弱。本試驗(yàn)中生防鏈霉菌PBSH9 也可抑制馬鈴薯瘡痂病菌的生長(zhǎng),傳代培養(yǎng)3 代,對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 的抑制率均大于70%,抑制效果穩(wěn)定。
生物防治的機(jī)制主要是利用微生物種內(nèi)或種間的競(jìng)爭(zhēng)、溶菌、抗生、重寄生等作用,也有一些是通過合成次級(jí)代謝產(chǎn)物來誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性,同時(shí)促進(jìn)植物生長(zhǎng)??咕钚晕镔|(zhì)通常是拮抗放線菌發(fā)揮生物學(xué)作用的基礎(chǔ),而鏈霉菌具有較高的天然產(chǎn)物生物合成能力,因生產(chǎn)抗生素而聞名(Chater,2006;Nett et al.,2009)。Sarwar 等(2018)發(fā)現(xiàn)鏈霉菌A1RT 的甲醇提取物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌表現(xiàn)出較高的抑菌活性,抑菌圈直徑為26 mm。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還從紫黑鏈霉菌AC12AB 中發(fā)現(xiàn)了阿扎霉素RS-22A,使馬鈴薯瘡痂病的發(fā)病率降低83%,馬鈴薯產(chǎn)量增加26.8%(Sarwar et al.,2019)。Eckwall 和Schottel(1997)從strain PonSSII 中發(fā)現(xiàn)了1個(gè)只對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌有抑制作用的分子量在500 左右的化合物。本試驗(yàn)中,生防鏈霉菌PBSH9 的代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 也具有明顯的抑制作用,平均抑菌圈直徑為20.17 mm,今后有必要對(duì)該菌活性物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。
莽春霞(2016)在研究灰色鏈霉菌()對(duì)煙草靶斑病菌(Kühn)的抑制作用時(shí)發(fā)現(xiàn),煙草靶斑病菌被抑制后,菌絲會(huì)出現(xiàn)節(jié)間變短、變粗、扭曲變形、菌絲分隔增多等現(xiàn)象。本試驗(yàn)中,利用生防鏈霉菌PBSH9 及其代謝物抑制馬鈴薯瘡痂病菌PS1 時(shí),被抑制的病原菌菌絲也會(huì)出現(xiàn)交聯(lián)、變粗和斷裂等畸形現(xiàn)象。
抑菌活性物質(zhì)的產(chǎn)率決定抑菌效果,發(fā)酵是獲得大量微生物活性代謝產(chǎn)物的基礎(chǔ)(Duan et al.,2020)。邸墊平等(2006)從玫瑰黃鏈霉菌Menmyco-93-63 的代謝產(chǎn)物中分離具有抑制馬鈴薯瘡痂病菌的化合物時(shí),發(fā)酵7 d 就進(jìn)行萃取分離。戴蓬博等(2016)利用極長(zhǎng)鏈霉菌()SL01 代謝產(chǎn)物防治蘋果樹腐爛?。∕iyabe et Yamada)時(shí),50 mL 液體培養(yǎng)基中只接入1 mL 培養(yǎng)3 d 的種子液,發(fā)酵培養(yǎng)7 d 后的代謝物就可對(duì)蘋果樹腐爛病菌有較強(qiáng)的抑制效果。項(xiàng)仁鑫等(2018)在30 mL 培養(yǎng)基中接入1.5 mL生長(zhǎng)32 h 的種子液,發(fā)酵7 d,鏈霉菌HY6-S36 的星孢菌素產(chǎn)量最高。不同接種量對(duì)代謝物抑菌活性的影響較大,主要是因?yàn)榻臃N量較小時(shí),會(huì)影響菌株的生長(zhǎng)繁殖速度,而接種量過大,會(huì)引起搖瓶?jī)?nèi)溶氧不足,間接影響菌株生長(zhǎng),這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致菌株次級(jí)代謝產(chǎn)物含量降低,最終影響代謝物的抑菌效果(周躍慧,2018)?;诖嗽?,本試驗(yàn)中不同接種量的代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌表現(xiàn)出了不同程度的抑制作用。此外,菌株P(guān)BSH9 在培養(yǎng)72 h 后處于生長(zhǎng)穩(wěn)定期,但接入7 mL 種子液、培養(yǎng)9 d 時(shí)代謝物的抑菌效果最好。雖然從生產(chǎn)角度來說培養(yǎng)9 d 浪費(fèi)大量資源,生產(chǎn)成本顯著增加,但3 d 與9 d 的代謝物抑菌效果差異顯著,因此確定培養(yǎng)周期為9 d。不同研究得出的結(jié)論不盡相同,可能和不同菌株有關(guān),也可能與培養(yǎng)條件等多種因素有關(guān),還需進(jìn)一步研究,為該菌株的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
生防鏈霉菌PBSH9 及其代謝物對(duì)馬鈴薯瘡痂病菌PS1 有明顯的抑制作用,菌株傳代培養(yǎng)3 代對(duì)PS1 的抑制率均大于70%,抑制效果穩(wěn)定;PBSH9代謝物的平均抑制率為75.21%。該生防菌及其代謝物使病原菌菌絲發(fā)生交聯(lián),變短,變粗,孢子變形,產(chǎn)孢量明顯減少,但透明抑菌圈內(nèi)的少量孢子仍有活性。每100 mL 液體高氏1 號(hào)培養(yǎng)基中接入7 mL OD在1.189 左右的生防菌PBSH9 種子液,調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH 為7,轉(zhuǎn)速為180 r·min、28 ℃下恒溫培養(yǎng)9 d 得到的代謝物抑菌效果最好,抑菌圈直徑為23.67 mm。