江紹鋒,史云靜,趙 美,舒燦偉,周而勛
(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/廣東省微生物信號(hào)與作物病害防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510642;2 桂林醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,廣西 桂林 541000)
水稻紋枯病是由立枯絲核菌Rhizoctonia solani AG-1 IA融合群引起的由土壤傳播的植物病原真菌病害[1]。水稻紋枯病菌菌核的生長發(fā)育可以分為菌絲生長、菌核萌發(fā)和菌核的成熟黑化3個(gè)階段[2]。黑色素廣泛存在于動(dòng)物、植物、真菌和細(xì)菌細(xì)胞中,是一種相對(duì)分子質(zhì)量較大的化合物,多為非均質(zhì)的多酚聚合體[3]。真菌黑色素是一種深褐色或黑色的色素,多存在于細(xì)胞壁中,具有抗氧化、抗紫外線、抵抗溶菌酶和寄主免疫攻擊等生物學(xué)功能[4-5]。
水稻紋枯病菌主要以菌核的形式在土壤中越冬,而菌核中的黑色素能增強(qiáng)水稻紋枯病菌在不良環(huán)境下的生存能力,所以研究水稻紋枯病菌菌核以及黑色素發(fā)育機(jī)制有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義,但是國內(nèi)外對(duì)菌核的研究主要集中于菌核發(fā)育方面,對(duì)水稻紋枯病菌菌絲生長和菌核發(fā)育機(jī)制以及黑色素形成的研究不多[6-8]。黑色素不僅能夠增強(qiáng)菌絲和菌核在土壤中的生存能力,而且也是植物病原真菌重要的毒力因子[9-10]。因此,研究化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌黑色素形成的影響,有助于開發(fā)新型、高效的殺菌劑抑制水稻紋枯病菌的菌絲生長和菌核發(fā)育,從而達(dá)到防治水稻紋枯病的目的。
水稻紋枯病菌R. solani AG1-IA強(qiáng)致病力菌株GD-118[11]由廣東省微生物信號(hào)與作物病害防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。
馬鈴薯葡萄糖液體培養(yǎng)基(Potato dextrose broth, PDB)制備參考方中達(dá)[12]的方法。本研究使用的化學(xué)物質(zhì)(表1)均為分析純?cè)噭?,過濾除菌后制備不同濃度的母液,并進(jìn)一步稀釋使用,其濃度見表1。其中,莨菪堿為陰性對(duì)照,兒茶酚為陽性對(duì)照,水為空白對(duì)照。
表1 本研究使用的化學(xué)物質(zhì)及濃度Table 1 Chemicals and concentrations used in this study
水稻紋枯病菌GD-118菌株用PDA平板培養(yǎng)2 d后,用內(nèi)徑5.0 mm的打孔器在菌落邊緣打取菌餅,置于培養(yǎng)基中央,將培養(yǎng)皿放在12 h光暗交替、28 ℃、相對(duì)濕度62 %的培養(yǎng)箱培養(yǎng)。以不加藥劑的處理為空白對(duì)照,加入一定量的母液試劑配成所需使用濃度的PDA平板。
1.2.1 化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌菌絲生長速率和菌核形成的影響 將供試菌株在PDA平板上培養(yǎng)2 d后,用內(nèi)徑5.0 mm的打孔器在菌落邊緣打取菌餅,將菌餅移入含有不同藥劑的PDA平板中央,28 ℃條件下黑暗培養(yǎng)24 h后,采用十字交叉法測(cè)量菌株的菌落直徑,每個(gè)處理濃度重復(fù)3次;28 ℃條件下黑暗培養(yǎng)21 d,觀察和記錄菌株的菌核數(shù)量、大小、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,每個(gè)處理重復(fù)3次。
1.2.2 水稻紋枯病菌黑色素的提取和純化 水稻紋枯病菌菌核黑色素的提取和純化參考Chen等[13]建立的方法。
1.2.3 紫外可見光譜分析 稱量水稻紋枯病菌黑色素 2 mg,加少量 1 mol/L NaOH(pH 8.0)溶解后,以 ddH2O 定容至 50 mL,配成 40 μg/mL 黑色素溶液,進(jìn)行紫外?可見光連續(xù)掃描 (200~800 nm)。兒茶酚黑色素標(biāo)準(zhǔn)曲線設(shè)置:稱量?jī)翰璺訕?biāo)準(zhǔn)品4 mg,加 1 mol/L NaOH(pH 8.0) 1 mL 溶解后定容至 50 mL,配成 80 μg/mL 黑色素溶液,稀釋成 0、10、20、40 和80 μg/mL的黑色素溶液,利用紫外分光光度計(jì)(型號(hào) U-2910:日本 HITACHI公司)測(cè)定D217nm,并繪制出兒茶酚黑色素標(biāo)準(zhǔn)曲線(0~80 μg/mL),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出水稻紋枯病菌黑色素質(zhì)量。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理,采用Duncan’s法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌的菌絲生長速率的影響結(jié)果見表2。由表2可以看出,在化學(xué)肥料組中,在含 500 μg/mL K2SO4、NaH2PO4和CO(NH2)2的培養(yǎng)基上培養(yǎng)24 h后,水稻紋枯病菌菌絲生長速率差異顯著,菌落直徑表現(xiàn)為CO(NH2)2處理>K2SO4處理>NaH2PO4處理。與空白對(duì)照相比,500 μg/mL 的 NaH2PO4和 K2SO4抑制水稻紋枯病菌菌絲生長,而500 μg/mL的CO(NH2)2促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲生長。
在金屬離子組中,在含有 5 μg/mL CuSO4、ZnSO4和FeSO4的培養(yǎng)基上培養(yǎng)24 h后,水稻紋枯病菌菌絲生長速率差異顯著,菌落直徑表現(xiàn)為FeSO4處理>CuSO4處理>ZnSO4處理。與空白對(duì)照相比,5 μg/mL CuSO4和 FeSO4能夠促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲的生長,而5 μg/mL的ZnSO4抑制水稻紋枯病菌菌絲的生長。
在抗氧化劑組中,在含有5 μg/mL槲皮素、桑色素和抗壞血酸的培養(yǎng)基上培養(yǎng)24 h后,水稻紋枯病菌菌絲生長速率差異顯著,菌落直徑表現(xiàn)為抗壞血酸處理>槲皮素處理>桑色素處理。與空白對(duì)照相比,5 μg/mL的槲皮素和桑色素能夠抑制水稻紋枯病菌菌絲的生長,而5 μg/mL抗壞血酸可以促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲的生長。
在對(duì)照組中,相對(duì)于空白處理,300 μg/mL的莨菪堿促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲的生長;而50 μg/mL的兒茶酚抑制水稻紋枯病菌菌絲的生長,不同對(duì)照處理間水稻紋枯病菌菌絲生長速率差異顯著。
不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌菌核質(zhì)量的影響結(jié)果見表2。由表2可見,在化學(xué)肥料組中,在含有 500 μg/mL K2SO4、NaH2PO4和 CO(NH2)2的培養(yǎng)基上培養(yǎng)21 d后,水稻紋枯病菌的菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均差異不顯著。
表2 化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌菌絲生長速率和菌核質(zhì)量 (m) 的影響1)Table 2 Effects of chemicals on mycelial growth rate and sclerotial weight (m) of Rhizoctonia solani AG-1 IA
在金屬離子組中,在含有 5 μg/mL CuSO4、ZnSO4和FeSO4的培養(yǎng)基上培養(yǎng)21 d后,F(xiàn)eSO4處理的水稻紋枯病菌菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均顯著高于CuSO4、ZnSO4處理的,但CuSO4和ZnSO4處理間的水稻紋枯病菌菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量差異不顯著。
在抗氧化劑組中,在含有5 μg/mL槲皮素、桑色素和抗壞血酸的培養(yǎng)基上培養(yǎng)21 d后,桑色素處理的水稻紋枯病菌菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均顯著高于槲皮素和抗壞血酸處理的,但槲皮素和抗壞血酸處理間的水稻紋枯病菌菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量差異不顯著。
在對(duì)照組中,在含有300 μg/mL莨菪堿、50 μg/mL兒茶酚培養(yǎng)基上培養(yǎng)21 d后,與空白對(duì)照相比,水稻紋枯病菌菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量沒有顯著差異。
不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌菌核形態(tài)和分布以及數(shù)量的影響結(jié)果如圖1、圖2所示。
圖1 不同化學(xué)物質(zhì)處理的水稻紋枯病菌菌核形態(tài)及分布Fig. 1 Morphology and distribution of sclerotia of Rhizoctonia solani AG-1 IA treated by different chemicals
圖2 不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的影響Fig. 2 Effects of different chemicals on sclerotia numbers of Rhizoctonia solani AG-1 IA
在化學(xué)肥料組中,水稻紋枯病菌在含有500 μg/mL K2SO4、NaH2PO4和 CO(NH2)2的培養(yǎng)基上培養(yǎng) 21 d后,菌核形態(tài)分布有明顯的差異(圖1)。其中,CO(NH2)2和NaH2PO4促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核的產(chǎn)生,菌核數(shù)量增多。CO(NH2)2菌核數(shù)量最多,每個(gè)培養(yǎng)皿平均產(chǎn)生94個(gè)菌核(圖2),同時(shí)也可以明顯觀察到水稻紋枯病菌菌絲的褐化甚至黑化現(xiàn)象,并分泌黑色素到PDA培養(yǎng)基中(圖1)。K2SO4溶液菌核數(shù)量最少,每個(gè)培養(yǎng)皿中平均只能產(chǎn)生73個(gè)菌核(圖2),明顯抑制菌核的產(chǎn)生。
在金屬離子組中,水稻紋枯病菌在含有5 μg/mL CuSO4、ZnSO4和 FeSO4的培養(yǎng)基上培養(yǎng) 21 d 后,CuSO4和FeSO4促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核的產(chǎn)生,菌核數(shù)量增多,但與空白對(duì)照相比差異不顯著,每個(gè)培養(yǎng)皿平均能產(chǎn)生90個(gè)以上的菌核,而ZnSO4菌核數(shù)量最少,每個(gè)培養(yǎng)皿平均只能產(chǎn)生70個(gè)菌核,抑制水稻紋枯病菌菌核的增加,與CuSO4和FeSO4處理相比,都有顯著差異(圖2)。
在抗氧化劑組中,水稻紋枯病菌在含有5 μg/mL槲皮素、桑色素和抗壞血酸的培養(yǎng)基上培養(yǎng)21 d后,菌核形態(tài)分布有較大差異(圖1)。從圖2可以看出,槲皮素、桑色素和抗壞血酸處理的水稻紋枯病菌菌核數(shù)量有顯著差異。槲皮素和桑色素能促進(jìn)菌核的產(chǎn)生,菌核數(shù)量增多,其中,桑色素溶液菌核數(shù)量最多,每個(gè)培養(yǎng)皿中平均能產(chǎn)生93個(gè)菌核,抗壞血酸溶液菌核數(shù)量最少,每個(gè)培養(yǎng)皿平均只能產(chǎn)生70個(gè)菌核。
在對(duì)照組中,在含有300 μg/mL的莨菪堿、50 μg/mL兒茶酚和空白對(duì)照的培養(yǎng)基上培養(yǎng)21 d后,水稻紋枯病菌菌核形態(tài)分布有明顯的差異,結(jié)果見圖1。各對(duì)照的水稻紋枯病菌菌核數(shù)量存在顯著差異,其中,莨菪堿促進(jìn)菌核數(shù)量的增加,每個(gè)培養(yǎng)皿平均產(chǎn)生88個(gè)菌核,兒茶酚顯著抑制菌核數(shù)量的增加,每個(gè)培養(yǎng)皿平均只能產(chǎn)生47個(gè)菌核,而空白對(duì)照每個(gè)培養(yǎng)皿平均能產(chǎn)生77個(gè)菌核(圖2)。
利用紫外?可見光譜對(duì)水稻紋枯病菌黑色素進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)吸光度隨波長的增大而減小,在217 nm處有明顯的強(qiáng)吸收峰,即為水稻紋枯病菌黑色素的特征吸收峰(圖3)。測(cè)定不同質(zhì)量濃度的兒茶酚黑色素的D217nm,并進(jìn)行回歸分析,得到回歸方程:y=0.018 0x?0.018 3,R2=0.997 7。結(jié)果表明兒茶酚黑色素質(zhì)量濃度與紫外吸光度有良好的線性關(guān)系。將培養(yǎng)21 d的10 g菌核充分干燥研磨成粉末狀后提取和純化黑色素,測(cè)定其質(zhì)量,結(jié)果列于表3。
圖3 水稻紋枯病菌黑色素的紫外?可見光吸收光譜Fig. 3 Ultraviolet-visible light absorption spectra of the melanin of Rhizoctonia solani AG-1 IA
由表3可見,在化學(xué)肥料組中,與空白對(duì)照相比,500 μg/mL K2SO4、NaH2PO4和 CO(NH2)2促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,產(chǎn)生黑色素的質(zhì)量排序?yàn)镃O(NH2)2)>NaH2PO4>K2SO4。
在金屬離子組中,與空白對(duì)照相比,5 μg/mL CuSO4和ZnSO4促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,5 μg/mL FeSO4抑制水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,產(chǎn)生黑色素的質(zhì)量排序?yàn)镃uSO4>ZnSO4>FeSO4。
在抗氧化劑組中,與空白對(duì)照相比,5 μg/mL槲皮素、桑色素和抗壞血酸均能促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,產(chǎn)生黑色素的質(zhì)量排序?yàn)樯I?槲皮素>抗壞血酸。
在對(duì)照組中,與空白對(duì)照相比,莨菪堿抑制水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,兒茶酚促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成。
表3 化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌黑色素產(chǎn)生的影響Table 3 Effects of chemicals on the melanin formation of Rhizoctonia solani AG-1 IA
田間施用化學(xué)肥料對(duì)水稻紋枯病的影響已有較多研究。氮、磷、鉀肥是水稻增產(chǎn)必不可少的肥料,其含量也影響著水稻紋枯病菌的生長發(fā)育。Moromizato等[14]發(fā)現(xiàn)鉀對(duì)水稻紋枯病病菌菌核形成的最適質(zhì)量濃度為 100 μg/mL。本研究中,500 μg/mL的K2SO4和NaH2PO4能抑制水稻紋枯病菌絲的生長發(fā)育,但NaH2PO4能促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增多,而這有利于水稻紋枯病菌休眠體菌核的形成與傳播;500 μg/mL的CO(NH2)2既促進(jìn)了水稻紋枯病菌菌絲的生長,也使得菌核數(shù)量增加,說明氮肥的大量使用可能會(huì)造成水稻紋枯病的暴發(fā),與沈會(huì)芳等[15]的研究結(jié)果一致。
在農(nóng)業(yè)集約化的耕作模式下,土壤中的金屬離子會(huì)和植物病原菌發(fā)生協(xié)同或拮抗作用,直接或者間接地影響病原菌的生長、繁殖以及致病力等,從而對(duì)病害傳播產(chǎn)生一定影響。劉力等[16]研究表明立枯絲核菌不同融合群對(duì)微量元素的相對(duì)敏感性不同。Englander等[17]研究了Cu2+等17種金屬離子對(duì)栗疫病菌Cryphonectria parasitic生長發(fā)育的影響;劉杏忠等[18]報(bào)道了Hg2+等6種重金屬離子對(duì)多種水霉的毒性。沈會(huì)芳等[19]發(fā)現(xiàn)Cu2+、Zn2+和Fe2+能夠影響水稻紋枯病菌的菌絲干質(zhì)量,且在含有5 μg/mL Cu2+、Zn2+和Fe2+的PDA中,水稻紋枯病菌菌絲質(zhì)量有所增加。在本研究中發(fā)現(xiàn)5 μg/mL的CuSO4和FeSO4能促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲的生長發(fā)育,同時(shí)也促進(jìn)菌核數(shù)量的增加;而5 μg/mL的ZnSO4溶液抑制水稻紋枯病菌菌絲生長發(fā)育,同時(shí)也抑制了水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增加,結(jié)果對(duì)于防治水稻紋枯病具有參考意義。
微生物細(xì)胞分化的因素包括不穩(wěn)定的超氧狀態(tài),它能夠誘導(dǎo)并促進(jìn)自身分化[17,20]。Georgiou等[21]研究表明植物病原真菌在菌核分化過程中會(huì)產(chǎn)生脂質(zhì)氧化物,并對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的菌核分化機(jī)制提出了假說,根據(jù)該假說通過增加抗氧化劑可以降低氧化脅迫的作用,進(jìn)而對(duì)菌核的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。例如齊整小核菌Sclerotium rolfsii的菌核形成常常伴隨著脂質(zhì)氧化,菌核是由活性氧引起的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)產(chǎn)生的[22]。對(duì)槲皮素、桑色素等抗氧化劑對(duì)水稻紋枯病菌菌核的形成影響進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同濃度的抗氧化劑能夠影響水稻紋枯病菌菌核的形成以及世代時(shí)間,并且在5 μg/mL槲皮素和桑色素誘導(dǎo)下,水稻紋枯病菌菌核質(zhì)量明顯增多,但是世代時(shí)間較為穩(wěn)定[23]。張傳玉等[24]試驗(yàn)表明抗壞血酸可以消除氧化脅迫對(duì)不同水稻品種造成的傷害,進(jìn)而提高水稻的抗逆能力。目前少數(shù)植物病原真菌的菌核形成機(jī)制比較清楚,而菌核分化可能是真菌抗氧化調(diào)節(jié)形成的,抗壞血酸作為抗氧化劑通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)過氧化水平,影響菌核發(fā)育階段的分化能力[25]。本研究結(jié)果表明,5 μg/mL槲皮素和桑色素抑制水稻紋枯病菌菌絲生長的同時(shí)使得菌核數(shù)量增多,有利于水稻紋枯病菌的傳播;而5 μg/mL的抗壞血酸恰好相反,促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲生長發(fā)育的同時(shí)抑制水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增加,可用來防止水稻紋枯病病菌的擴(kuò)散蔓延。
Abdel-motaal等[26]的研究表明,對(duì)于稻瘟病菌和立枯絲核菌,l μg/mL的莨菪堿會(huì)引起菌絲體電解質(zhì)的泄漏,延緩或抑制真菌孢子萌發(fā)和附著胞的形成,并且結(jié)果不可逆轉(zhuǎn);400 μg/mL莨菪堿處理時(shí),稻瘟病菌附著胞的死亡率約為 10%,1 000 μg/mL莨菪堿處理時(shí),附著胞的死亡率約為70%。兒茶酚作為一種抗氧化劑,不僅能抗衰老,同時(shí)還具有非常好的抗真菌效果。本研究中,300 μg/mL的莨菪堿能夠促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲生長和菌核的增加,而50 μg/mL兒茶酚溶液抑制水稻紋枯病菌菌絲生長的同時(shí)抑制水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增加。兒茶酚和莨菪堿對(duì)水稻紋枯病菌菌核黑白表型的影響非常明顯。
本研究中,500 μg/mL K2SO4、NaH2PO4和CO(NH2)2處理能有效促進(jìn)水稻紋枯病菌黑色素的生成,從而增強(qiáng)水稻紋枯病菌的抗逆性,增強(qiáng)其對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)性,特別是CO(NH2)2處理。大量施用氮肥容易加重水稻紋枯病的病害程度,反映出在實(shí)際耕作中,氮肥使用量不宜過多。5 μg/mL的CuSO4和ZnSO4處理有利于黑色素的形成,而5 μg/mL的CuSO4處理雖然菌核質(zhì)量減少,但數(shù)量增多;5 μg/mL的ZnSO4處理不僅抑制水稻紋枯病菌菌絲的生長發(fā)育,同時(shí)也抑制水稻紋枯病菌菌核數(shù)量和質(zhì)量的增加,說明ZnSO4對(duì)水稻紋枯病菌的抑制作用強(qiáng)于CuSO4。當(dāng)水稻紋枯病菌菌體受到金屬離子脅迫時(shí),由于自身保護(hù)作用,反而促進(jìn)水稻紋枯病菌黑色素的分泌,增強(qiáng)其對(duì)外界不良環(huán)境的抗逆性,而5 μg/mL的FeSO4處理能促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增加,但對(duì)黑色素的形成有抑制作用,降低了水稻紋枯病菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。5 μg/mL抗壞血酸能抑制水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增長,但卻促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,而5 μg/mL槲皮素、桑色素能促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增加,有利于水稻紋枯病菌的傳播,并且促進(jìn)水稻紋枯病菌菌核黑色素的形成,可以提高水稻紋枯病菌抗逆能力。300 μg/mL莨菪堿能促進(jìn)水稻紋枯病菌菌絲生長和菌核數(shù)量增加,但是抑制黑色素的形成;而50 μg/mL的兒茶酚不僅抑制水稻紋枯病菌菌絲生長,也抑制水稻紋枯病菌菌核數(shù)量的增加,但可以促進(jìn)水稻紋枯病菌黑色素的形成。
本研究結(jié)果表明不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)水稻紋枯病菌菌絲的生長速率、菌核數(shù)量、菌核大小、菌核鮮質(zhì)量和干質(zhì)量以及黑色素產(chǎn)生的影響程度不同。抑制水稻紋枯病菌菌絲和菌核生長發(fā)育的化學(xué)物質(zhì),不一定抑制水稻紋枯病菌菌核生長發(fā)育。500 μg/mL K2SO4、NaH2PO4和 CO (NH2)2,5 μg/mL CuSO4和ZnSO4,5 μg/mL 槲皮素、桑色素和抗壞血酸以及50 μg/mL的兒茶酚溶液對(duì)黑色素的形成均有促進(jìn)作用,而 5 μg/mL FeSO4和 300 μg/mL 莨菪堿處理對(duì)黑色素形成有抑制作用,這為水稻紋枯病菌在不同環(huán)境中的適應(yīng)性提供了理論依據(jù)。