楊 瀟,王曙光,梁 慎,婁長城,王利民,師 曼,張和臣
(1. 西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650224;2. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所,河南 鄭州 450002)
楸樹(Catalpa bungei)是紫葳科(Bignoniaceae)梓屬(Catalpa)落葉喬木,栽培歷史悠久,分布地區(qū)廣泛,是我國特有的珍貴優(yōu)質(zhì)木材和園林觀賞樹種,具有很高的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-3]。由于楸樹大面積苗圃種植結(jié)構(gòu)單一,管理稍有不善,易受到炭疽病、根結(jié)線蟲病[4]等一些病害的影響。近些年,楸樹人工栽培和繁育面積不斷擴(kuò)大,一些新的病害也隨之產(chǎn)生,如楸樹莖腐病,其對(duì)楸樹危害十分嚴(yán)重,癥狀表現(xiàn)為楸樹苗木在移栽后出現(xiàn)長勢(shì)衰弱、樹冠萎蔫、莖基部組織褐色病變的現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植株死亡。目前,國內(nèi)尚未見楸樹莖腐病的相關(guān)報(bào)道,鑒于此,采用柯赫氏法則對(duì)楸樹莖腐病的病原進(jìn)行分離鑒定,明確其病原菌,并在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)3 個(gè)楸樹材料對(duì)莖腐病的抗性,以期為楸樹莖腐病的防治及抗性品種選育提供參考。
楸樹莖腐病植株于2020年春、秋兩季采集自位于河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)的河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地楸樹苗圃??共⌒栽u(píng)價(jià)試驗(yàn)中3種供試楸樹材料均來自上述苗圃,均通過組培繁殖獲得,分別為CJS[金絲楸(Catalpa bungivar.Jinsi)]、CL1(洛楸1號(hào))、CZ2[以豫楸2 號(hào)為母本、灰楸(Catalpa fargesiiBur.)為父本雜交選育的后代]。
PDA 培養(yǎng)基:馬鈴薯浸粉3 g、葡萄糖20 g、瓊脂10 g、1 000 mL水,分裝燒瓶后高壓滅菌備用。
采集楸樹莖腐病植株(17 株)后,清理掉表面的泥土和砂礫,在流動(dòng)自來水下沖洗20 min。在植株病健交界處切取面積1 cm×1 cm、厚6 mm 樣品。用75%乙醇處理30 s 后無菌水清洗2 次,然后用0.1%HgCl2處理3 min 后無菌水清洗3 次。在無菌紗布上吸干水分后,用無菌刀片去除表皮,切取內(nèi)部面積5 mm×5 mm、厚3 mm 小塊,每株病樣取3~5塊,切成薄片接種在PDA 培養(yǎng)基上,于28 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中12 h 光/12 h 黑暗培養(yǎng)。待形成一定大小的菌落后,挑取邊緣菌絲進(jìn)行純化。
將純化后的單孢菌株在PDA 培養(yǎng)基上培養(yǎng)7~10 d,待其長滿培養(yǎng)皿并產(chǎn)生大量孢子后,用無菌水配制成1×108個(gè)/mL 的孢子懸浮液。采用浸根法接種病菌,以株高10 cm 左右的CZ2 缽苗為材料,在上述孢子懸浮液中浸染20 min,以清水處理為對(duì)照。然后移栽至裝有滅菌土的盆缽中,置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱(濕度75%)中,12 h 光/12 h 黑暗培養(yǎng)。2 d 澆1次水。每個(gè)菌株接種3 株CZ2 缽苗,對(duì)照1 株。觀察發(fā)病情況,初步篩選病原菌。當(dāng)植株出現(xiàn)發(fā)病癥狀后,觀察是否與田間發(fā)病癥狀一致,并切取病健交界處組織,對(duì)病原菌進(jìn)行再分離和培養(yǎng),驗(yàn)證是否與接種菌株一致。
1.5.1 形態(tài)鑒定 將有致病性的菌株分離純化到PDA 培養(yǎng)基上,28 ℃下培養(yǎng)后觀察形態(tài)學(xué)特征。并參照《植物病原真菌學(xué)》[5],對(duì)病原菌進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定。
1.5.2 分子鑒定及發(fā)育樹構(gòu)建 采用機(jī)械微波破壁法獲取致病菌株的DNA,用于PCR 擴(kuò)增[6]。取菌絲100 mg 于2 mL 離心管,加300μL 10×TE 溶液,放入一顆鋼珠,置于機(jī)械破碎儀(3 000 r/min)中3 min。打開管蓋置于微波爐加熱至微沸,蓋上管蓋趁熱置于離心機(jī)中,常溫12 000 r/min離心5 min,取上清液冷凍保存以備PCR 擴(kuò)增。采用ITS1(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′) 和 ITS4 (5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)進(jìn) 行PCR 擴(kuò) 增,PCR 反應(yīng)體系為30μL:2×TaqMaster Mix 15μL,引物ITS1 0.5 μL,引物ITS4 0.5 μL,DNA 模板1 μL,ddH2O 13 μL。反應(yīng)程序:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性45 s,55 ℃退火45 s,72 ℃延伸1.5 min,共30 個(gè)循環(huán);最后72 ℃延伸10 min。取2μL PCR 產(chǎn)物進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),以250 bp DNA Ladder Marker 為對(duì)照。PCR 產(chǎn)物由尚亞生物公司進(jìn)行測(cè)序,將測(cè)序結(jié)果上傳至GenBank,與已發(fā)表的基因進(jìn)行同源性比對(duì),利用MEGA 7.0 軟件采用鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,Bootstrap為1 000次。
1.6.1 離體葉片穿刺法 在培養(yǎng)皿中放入2層滅菌濾紙,用無菌水浸濕。取成熟度一致、葉面積大小相近的葉片,用75%乙醇消毒后用無菌水清洗,擦干放入培養(yǎng)皿中,用接種針在葉片正面扎取3 個(gè)穿刺孔,切取生長10 d 并產(chǎn)生孢子的致病菌菌絲塊(4 mm×4 mm)覆蓋上面,于28 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱(12 h 光/12 h 暗)中培養(yǎng),5 d 后觀察發(fā)病情況。每個(gè)楸樹材料10 皿為一個(gè)重復(fù),3 次重復(fù),每次重復(fù)以相同大小無菌PDA 培養(yǎng)基切塊為對(duì)照,設(shè)2 皿。運(yùn)用Image J 軟件統(tǒng)計(jì)病斑面積(Lesion area,LA)。葉片病斑分級(jí)依照文獻(xiàn)[7-8]稍加改進(jìn),按照LA大小分為5 個(gè)病級(jí),0 級(jí):未出現(xiàn)病斑;1 級(jí):0<LA≤5%;2級(jí):5%<LA≤10%;3 級(jí):10%<LA≤20%;4 級(jí):20%<LA≤30%;5級(jí):LA>30%。
病葉率=發(fā)病葉數(shù)/總?cè)~數(shù)×100%,
病情指數(shù)=∑(各級(jí)病斑葉數(shù)×相應(yīng)級(jí)數(shù)值)/(調(diào)查總?cè)~數(shù)×最高級(jí)數(shù))×100。
1.6.2 植株浸根法 采用浸根法分別對(duì)3個(gè)楸樹材料進(jìn)行接種處理,選取健康、長勢(shì)優(yōu)良、株高為25~35 cm 的楸樹缽苗,將根部沖洗干凈后浸泡在1×108個(gè)/mL 的致病菌孢子懸浮液中20 min,每個(gè)楸樹材料3次重復(fù),每次重復(fù)10盆,每次重復(fù)設(shè)清水對(duì)照2盆。置于溫室中培養(yǎng),7 d 后開始觀察,每隔1 d 觀察統(tǒng)計(jì)1 次發(fā)病情況,共觀察5 次。依照張亮[9]的方法,稍作改良,統(tǒng)計(jì)并計(jì)算發(fā)病率和病情指數(shù)。
楸樹病菌侵染發(fā)病的程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為,0 級(jí):植株健康,無任何癥狀;1 級(jí):輕微感病,有1~3 片葉子出現(xiàn)退綠發(fā)黃,無明顯卷曲癥狀;2級(jí):癥狀較明顯,有1/3 數(shù)量的葉片出現(xiàn)退綠發(fā)黃,伴有萎蔫、卷曲癥狀,葉柄無明顯大幅度下垂;3 級(jí):癥狀較嚴(yán)重,有1/2 數(shù)量的葉片出現(xiàn)枯黃,萎蔫,并且葉柄下垂;4級(jí):超過半數(shù)的葉片都出現(xiàn)不同程度的癥狀,且大量樹葉葉柄下垂,健康葉片所剩無幾;5級(jí):整棵植株無任何綠葉,植株基本死亡。
發(fā)病率=發(fā)病株數(shù)/總株數(shù)×100%,
病情指數(shù)=∑(病情級(jí)數(shù)×該級(jí)病情株數(shù))/(病情最高級(jí)數(shù)×調(diào)查總株數(shù))×100。
采用浸根法對(duì)3個(gè)楸樹材料進(jìn)行病原菌接種處理,每個(gè)楸樹材料處理30 株,以無菌水為對(duì)照。取樣時(shí)間為接種前0 d 和接種后3、6、9、12 d。隨機(jī)采取葉位、葉齡、葉面積相近的葉片進(jìn)行檢測(cè),設(shè)3 次重復(fù)。β-1,3-葡聚糖酶、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性分別使用北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)的β-1,3-葡聚糖酶活性檢測(cè)試劑盒(微量法)、SOD 活性檢測(cè)試劑盒(微量法)、POD 活性檢測(cè)試劑盒(微量法)測(cè)定。
采用Microsoft Excel 2016 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。
楸樹莖腐病在田間呈點(diǎn)片發(fā)生。感病初期,植株下部葉片失綠卷縮,稍下垂;感病中期,植株葉片大面積萎蔫失綠,葉片相繼下垂,但不脫落;發(fā)病后期,植株頂芽枯死,莖基部外表皮出現(xiàn)深褐色病變,內(nèi)皮組織也出現(xiàn)褐色軟化腐爛(圖1)。地下根部發(fā)褐腐爛,推斷致病菌從楸樹根部和莖基部進(jìn)行侵染,破壞根部和莖基部的輸導(dǎo)組織,阻斷植株地上地下組織水分和養(yǎng)分的交換,從而導(dǎo)致植株死亡。
圖1 楸樹莖腐病田間發(fā)病癥狀Fig.1 Symptoms of Catalpa bungei stalk rot in field
經(jīng)分離純化,共得到33 株菌株。在室內(nèi),將分離純化的33 株菌株分別制成孢子懸浮液對(duì)楸樹進(jìn)行浸染,發(fā)現(xiàn)菌株NG0201、NG0212、GO100307侵染后,楸樹植株長勢(shì)明顯減弱,葉片均出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象,與清水對(duì)照有明顯差異。其中,菌株GO100307 致病速度快,致使植株出現(xiàn)莖腐現(xiàn)象,且導(dǎo)致植株死亡。因此,在后續(xù)試驗(yàn)中,以GO100307 作為供試菌株。楸樹在接種菌株GO100307第6天時(shí),葉邊緣出現(xiàn)卷曲、萎蔫現(xiàn)象,葉柄微垂;第10 天,植株葉片邊緣枯黃,失去水分,葉柄完全下垂,出現(xiàn)的癥狀與田間一致。將植株從盆中挖出,清洗根部后發(fā)現(xiàn)根部變褐,有明顯的腐爛跡象;莖基部橫切后發(fā)現(xiàn),輸導(dǎo)組織和薄壁組織明顯發(fā)褐(圖2)。同時(shí),切取發(fā)病植株莖基病健交界處組織進(jìn)行病原菌分離培養(yǎng),得到菌株與接種病菌一致。根據(jù)柯赫氏法則,證明GO100307菌株為楸樹莖腐病的主要致病菌。
圖2 病原菌GO100307分離純化后回接發(fā)病癥狀Fig.2 Symptoms after inoculation with the isolated and purified strain GO100307
2.3.1 病原菌形態(tài)鑒定 由圖3 可見,PDA 培養(yǎng)基上,GO100307 菌株菌絲呈白色絨毛狀,菌絲中間濃密,邊緣稀薄,氣生菌絲不發(fā)達(dá),背面淡黃色。28 ℃培養(yǎng)6 d 左右能在菌落中間觀察到明顯的孢子堆,孢子堆呈黑色或墨綠色油漆狀。在顯微鏡下觀察,分生孢子梗緊密排列,光滑無色,至少2 次分支,末端分支輪生2~7 個(gè)產(chǎn)孢細(xì)胞,產(chǎn)孢細(xì)胞無色,細(xì)長,筒裝或棍棒狀,分生孢子為單孢,無色,形狀為長卵形或橢圓形,兩端鈍圓。依據(jù)形態(tài)學(xué)特征,將該菌株初步鑒定為漆斑菌屬(Myrothecium)。
圖3 病原菌形態(tài)觀察Fig.3 Observation of fungus morphology
2.3.2 分子鑒定 提取GO100307 菌株DNA 后,利用ITS1 和ITS4 引物進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)獲得大小約600 bp 的基因片段(圖4a)。將測(cè)序結(jié)果在GenBank 上與已發(fā)表的基因進(jìn)行同源性比對(duì),利用MEGA 7.0 軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖4b)。圖4b 顯 示,菌 株GO100307 的ITS 序 列 與HQ115647.1Myrothecium roridum和HQ433334.1Myrothecium roridum聚于同一分支。結(jié)合形態(tài)學(xué)鑒定和分子生物學(xué)鑒定,最終將GO100307 菌株確定為露濕漆斑菌(Myrothecium roridum)。
圖4 PCR產(chǎn)物凝膠成像(a)與GO100307菌株系統(tǒng)發(fā)育樹(b)Fig.4 PCR product gel imaging(a)and GO100307 phylogenetic tree(b)
2.4.1 葉片離體穿刺試驗(yàn)結(jié)果 將露濕漆斑菌菌塊分別接種在CJS、CL1、CZ2 楸樹離體葉片上,接種5 d后,3個(gè)楸樹無性系葉片均出現(xiàn)發(fā)病現(xiàn)象(圖5)。從表1 可以看出,病情指數(shù)為39.17~50.50。其中CZ2 病情指數(shù)最高,并與CL1 有顯著差異(P<0.05),與CJS 差異不顯著(P>0.05)。3個(gè)楸樹材料的發(fā)病率無顯著差異(P>0.05),但CZ2 發(fā)病率最高(表1)。綜合對(duì)比,在離體葉片穿刺試驗(yàn)中,CL1 抗性最好,CZ2 最差。觀察發(fā)現(xiàn),CL1 葉片表面革質(zhì)化程度高于其他2 個(gè)楸樹材料,這可能是其葉片離體穿刺試驗(yàn)發(fā)病率低于其他2個(gè)楸樹材料的原因之一。
圖5 3個(gè)楸樹材料葉片穿刺試驗(yàn)差異Fig.5 Differences in leaf puncture experiments of three Catalpa species
表1 露濕漆斑菌對(duì)不同楸樹葉片離體穿刺情況對(duì)比Tab.1 Comparison of in vitro puncture of different Catalpa tree leaves by Myrothecium roridum
2.4.2 楸樹浸根法試驗(yàn)結(jié)果 通過浸根法對(duì)3個(gè)楸樹材料進(jìn)行接種,在第15 天統(tǒng)計(jì)最終發(fā)病情況(圖6)。表2 可見,3 個(gè)楸樹材料均出現(xiàn)感病現(xiàn)象,病情指數(shù)為26.67~37.33。CJS 病情指數(shù)最低,顯著低于其他2 個(gè)楸樹材料(P<0.05),CZ2 與CL1 病情指數(shù)相差1.33,差異不顯著(P>0.05);CJS 發(fā)病率最低,但3 個(gè)楸樹材料的發(fā)病率并無顯著差異(P>0.05)。綜合對(duì)比,三者對(duì)莖腐病的抗性為CJS>CL1>CZ2。
表2 露濕漆斑菌孢子懸浮液對(duì)不同楸樹材料的浸染情況對(duì)比Tab.2 Comparison of Myrothecium roridum infestation of different Catalpa species
圖6 3個(gè)楸樹材料無性系浸根試驗(yàn)差異Fig.6 Differences in root immersion tests of three Catalpa species
2.5.1 β-1,3-葡聚糖酶活性 從圖7 可以看出,CJS 接種后β-1,3-葡聚糖酶活性在第3 天達(dá)到峰值,之后逐漸下降;CZ2 在接種后β-1,3-葡聚糖酶活性先下降,于第6 天達(dá)到最低值,然后逐漸回升,呈“V”字形;CL1 在接種后第6 天β-1,3-葡聚糖酶活性達(dá)到峰值,然后趨于平穩(wěn)。3 種楸樹酶活性峰值表現(xiàn)為CJS 比CZ2 和CL1 分別高出7.12% 和14.89%,且峰值時(shí)間最早。說明抗性較好的楸樹材料在接種病原菌后能較快地產(chǎn)生抗性反應(yīng),其自身的β-1,3-葡聚糖酶活性會(huì)迅速升高,以此來應(yīng)對(duì)病原真菌的侵染。
圖7 3個(gè)楸樹材料處理后葉片β-1,3-葡聚糖酶活性變化Fig.7 Changes of β-1,3-glucanase activity in treated leaves of three Catalpa species
2.5.2 SOD 活性 從圖8 可以看出,CJS 在接種后SOD 活性先上升再下降,第9 天達(dá)到峰值;CZ2 在接種后SOD 活性先是持續(xù)下降,第6天時(shí)達(dá)到最低值,隨后急劇上升然后又稍有下降;CL1 接種后SOD 活性增加迅速并在第6天達(dá)到峰值,隨后逐漸下降。3個(gè)楸樹材料中,CL1 SOD 活性峰值最高,比CJS 和CZ2 SOD活性峰值分別高6.67%和35.07%。
圖8 3個(gè)楸樹材料處理后葉片SOD活性變化Fig.8 Changes of SOD activity in treated leaves of three Catalpa species
2.5.3 POD 活性 從圖9 可以看出,CJS 在接種后POD 活性迅速上升,在第6 天達(dá)到峰值后下降;CZ2在接種后POD 活性呈“M”形的雙峰現(xiàn)象;CL1 接種后POD 活性在第3 天達(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)。3 個(gè)楸樹材料在接種后POD 活性普遍上升,且以CJS POD 活性較高,其活性峰值比CZ2 和CL1 峰值分別高25.00%和11.11%。
圖9 3個(gè)楸樹材料處理后葉片POD活性變化Fig.9 Changes of POD activity in treated leaves of three Catalpa species
楸樹莖腐病的發(fā)生在國內(nèi)尚未見相關(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)首次對(duì)楸樹莖腐病感病植株進(jìn)行了病原菌分離純化,通過柯赫氏法則對(duì)致病性進(jìn)行驗(yàn)證,確認(rèn)GO100307 菌株致病癥狀與田間感病植株癥狀一致,將其確定為楸樹莖腐病的病原菌。經(jīng)形態(tài)學(xué)結(jié)合分子生物學(xué)鑒定后,確認(rèn)該菌株為露濕漆斑菌(Mymthecium roridum)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,露濕漆斑菌對(duì)西紅柿[10]、山藥[11]、西葫蘆[12]、鐵皮石斛[13]及苜蓿[14]等植物都能產(chǎn)生致病性,可造成植株葉斑、果斑、根腐和莖腐等現(xiàn)象。在禾谷類和木本植物研究中發(fā)現(xiàn),禾谷鐮刀菌(F.graminearum)、禾生腐霉菌(P.graminicola)、層出鐮刀菌(F.proliferatum)、擬輪枝鐮孢菌(F.verticillioides)、木賊鐮刀菌(F.equiseti)、終極腐霉菌(P.ultimum)等[15-17]均能引起莖腐病。但本研究首次發(fā)現(xiàn)露濕漆斑菌可以引起楸樹發(fā)生莖腐病。
通過離體葉片穿刺接種與浸根法將分離篩選得到的致病菌GO100307 回接到3 個(gè)不同楸樹材料上,結(jié)果表明,該菌對(duì)3 個(gè)楸樹材料都有致病性,但對(duì)不同楸樹材料的致病性差異明顯。在離體葉片穿刺試驗(yàn)中,CL1 的抗性優(yōu)于CJS 和CZ2,通過觀察發(fā)現(xiàn),CL1葉片的革質(zhì)化程度高,能更好地保護(hù)葉片免受侵害,體現(xiàn)了很好的葉部抗性;但在浸根試驗(yàn)中CJS 的抗性優(yōu)于CL1 和CZ2,且沒有感病植株死亡的現(xiàn)象,體現(xiàn)了更好的根部抗性。
浸根法接種病原菌后,不同楸樹材料葉片的酶活性變化有明顯差異。β-1,3-葡聚糖酶是植物抗病反應(yīng)中的關(guān)鍵病程相關(guān)蛋白,在植物抗病防御反應(yīng)中起著重要作用[18-19]。較高抗性的CJS 在接種病菌后β-1,3-葡聚糖酶活性達(dá)到峰值較早,對(duì)病原菌的反應(yīng)較為迅速。
植物在受到病原菌侵染時(shí),會(huì)引起其體內(nèi)活性氧代謝失調(diào),導(dǎo)致氧化脅迫。這時(shí)體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)會(huì)發(fā)揮作用,減輕脅迫給植物帶來的傷害,SOD、POD 是植物體內(nèi)主要的活性氧清除酶[20-21]。在接種病原菌后,CJS 和CL1 葉片SOD 活性均表現(xiàn)為先升高后降低,CZ2 葉片SOD 活性則是先降低后升高,上升幅度也較小,說明在遇到侵染時(shí),高抗材料的SOD 活性響應(yīng)速度及幅度均優(yōu)于低抗材料。在接種病菌后,3個(gè)楸樹材料葉片POD活性均有提高,雖然CL1 的POD 活性較早達(dá)到峰值,但CJS 的POD 活性峰值高于其他2個(gè)楸樹材料且上升幅度更大。結(jié)果表明,CJS 具有較高抗性的原因可能是其自身保護(hù)酶系統(tǒng)和病程相關(guān)蛋白對(duì)病原菌的感知能力較強(qiáng),當(dāng)遇到病原物刺激時(shí),能及時(shí)做出防御反應(yīng),抵抗病原菌的侵染。
本研究對(duì)楸樹莖腐病植株進(jìn)行病原菌分離鑒定,并對(duì)獲得的致病菌株進(jìn)行形態(tài)與分子鑒定,確認(rèn)引起楸樹莖腐病的病原菌為露濕漆斑菌(Myrothecium roridum)。3 個(gè)楸樹材料對(duì)莖腐病致病菌的抗性表現(xiàn)為金絲楸最強(qiáng),葉片β-1,3-葡聚糖酶、POD活性峰值高于其他2個(gè)楸樹材料。