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植物细菌性青枯病由青枯劳尔氏菌(Ralstonia solanacearum)引起的毁灭性土传病害,是世界范围内传播广泛、危害严重、最难防治的细菌性重大病害之一[1]。该病原菌菌系复杂,寄主范围广,可危害农作物、果树、林木、花卉、药材、牧草、杂草等54个科的450余种植物[2]。
近二十年来,木麻黄已成为广东沿海地区不可替代的当家树种,生产上利用木麻黄A13及A8无性系大面积造林,使得林分遗传多样性单一,防护林带退化,林木生长衰退,木麻黄青枯病迅速扩展蔓延,严重威胁整个沿海防护林体系。抗病育种目前被认为是防治木麻黄青枯病的根本途径[3]。我国木麻黄青枯病抗病育种研究基础薄弱,在抗源、抗性遗传规律、杂交育种、分子标记及基因工程等方面研究技术几乎都是空白,相关研究工作集中在上世纪末,如接种方法及接种条件的研究[4-5],木麻黄不同树种或种源的青枯病抗病能力评价[6-8],抗病优良品系的筛选[4, 9-11]等。由于青枯菌能与植物、环境相互作用,协同进化产生变异[12],原来选育出的A8、A13、501等一批抗病无性系随着时间推移抗病性大大降低,强致病性菌株也逐渐失去其致病性。因此,目前要开展木麻黄抗病育种研究工作,首先要分离、获得有效的强致病性菌株。
长期以来,木麻黄青枯菌株的鉴定及毒性鉴别采用的是简单的TTC培养基法[4-5, 8-9, 13],即利用TTC培养基特异性区分青枯菌和其他细菌,并根据菌落生长形态来判断其致病性的强弱[14]。研究表明,青枯菌致病性严重分化,菌株间存在着显著的致病性差异,且在木麻黄—青枯菌的病理系统中,同时存在水平抗性与垂直抗性[13, 15],因此利用TTC培养基传统肉眼观察判断毒性菌株的方法可靠性较差,在进行实验时有必要对其致病性进行检测。目前16S rRNA基因检测技术已成为病原细菌检测和鉴定的重要方法[16-20],但在木麻黄青枯菌检测鉴定中尚未见类似报道。本研究将16S rRNA基因检测技术应用于木麻黄青枯菌株的筛选,将根系溢出法用于木麻黄青枯菌的分离,利用水培接种及盆栽接种对分离出的菌株进行致病性测定,筛选出有效的强致病菌株用于进一步木麻黄选育试验,为相关领域科研人员筛选木麻黄强致病青枯菌株提供参考。
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选择广东电白、吴川、湛江南三岛、湛江东海岛及徐闻等有代表性的木麻黄新发病区林分,采样时选择田间自然发病的新发病植株,挖取木质部呈水渍状或半透明状根系2~3段,每段10 ~ 20 cm,封口袋封装,记录采集时间、地点,带回试验室分离病菌。具体病害标本采集地点见表 1。
菌株编号
No.采集地
Location寄主无性系
Host cloneA 广东电白贺博 A8 B 广东吴川吴阳同化村 A13 C 广东吴川吴阳同化村 A8 D 广东吴川吴阳同化村 A8 E 广东吴川吴阳金海岸 A8 F 广东吴川吴阳金海岸 A8 G 广东吴川吴阳金海岸 A13 H 广东吴川吴阳金海岸 A13 I 广东吴川吴阳俄儿村 A8 J 广东吴川吴阳俄儿村 A8 K 广东吴川吴阳俄儿村 A13 L 广东吴川吴阳俄儿村 A13 M 广东湛江坡头区南三林场 A8 N 广东湛江坡头区南三林场 A8 O 广东湛江坡头区南三林场 A8 P 广东湛江坡头区南三林场 A13 Q 广东湛江坡头区南三林场 A13 R 广东湛江坡头区南三林场 A13 S 广东湛江东海岛东简镇 A8 T 广东湛江东海岛东简镇 A13 U 广东湛江东海岛东简镇 A13 V 广东徐闻国营防护林场I工区 A8 W 广东徐闻国营防护林场I工区 A8 X 广东徐闻国营防护林场I工区 A13 Y 广东徐闻国营防护林场II工区 A8 Z 广东徐闻国营防护林场II工区 A13 AB 广东徐闻国营防护林场III工区 A8 AC 广东徐闻国营防护林场III工区 A13 AD 广东徐闻国营防护林场III工区 A13 GL-2 中国林科院热带林业研究所提供 A8 TC-1 中国林科院热带林业研究所提供 A8 Table 1. Number and source of strains in study
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采用两种分离方法。稀释分离法参考朱圣杰[21]并加以改进:取3cm长病根,洗净,75%的酒精浸泡30 s,无菌水冲洗3次,在超净工作台上剥去外皮,切除两端,最后将其横切成3~5份,放入含有5~10 mL无菌水的培养皿内30 min,用移植环蘸取菌液划线培养于TTC培养基上。根系溢出法:取3~6 cm长的木麻黄病根,洗净,两端切成平整的新鲜断面,然后把其中一端浸泡于无菌水中,12 ~ 24 h后,在病根的另一端断面会流出乳白色的菌脓。用接种针挑取菌脓划线培养于TTC培养基上。
设计双因素试验,先将病根按无性系分类,再同一无性系不同地点的病根随机混合并分别采用2种方法分离病菌,试验重复3次,每段病根做不少于3个平板,于30℃下恒温培养48 h。分离率(%)=分离出典型菌落的病根数/参试总病根数×100。
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青枯菌在TTC培养基上的典型特征为菌落呈不规则圆形,略隆起,中心部位粉红色,周围有白色晕圈,不透明,具有流动性的。选择具有典型菌落特征的菌株进行16s rRNA测序鉴定。
利用Ezup柱式细菌基因组DNA抽取试剂盒进行待测病菌基因组DNA的提取,试剂盒购买自生工生物工程(上海)股份有限公司。根据Seal等[22]结果设计引物,以16s rRNA为靶基因的青枯菌特异性引物序列OL I1:(5’GGGGGTAGCTTGCTACCTG-CC3’)和Y2:(5’CCCACTGCTGCCTCCCGTAGGA-GT3’)进行扩增。引物由上海生工生物技术有限公司合成。PCR反应体系和反应条件参考王胜坤等[23]的方法。以DL Marker2000为标准分子量,扩增产物经2.0%琼脂糖凝胶电泳,在Bio-Rad凝胶成像系统下观察并记录结果。将扩增产物送至上海生工生物技术有限公司进行测序,将获得的序列经BLAST与GenBank的核酸序列库中已知青枯菌16S rRNA序列进行同源性比较,以判断所分离得到的菌株是否为青枯菌。
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选择抗性不同的木麻黄K18、A14无性系木质化褐梗枝条作为茎段水培接种测定材料。选择6个月龄期、60~70 cm高、根系发达、生长一致的木麻黄K18、A14无性系营养袋苗为小苗盆栽接种试验苗木。所有参试材料均为不带菌健康苗木。
选择经测序鉴定的22个青枯菌菌株作为测定菌株。各菌株在TTC固体培养基上活化48 h,再扩大培养于液体培养基中摇床培养36 h。培养液于5 000 r·min-1离心15 min收集菌体,用无菌水配成浓度3×108 cfu·mL-1(平板计数法)菌悬液用于茎段水培接种,2.7×109 cfu·mL-1(平板计数法)的菌悬液用于小苗盆栽接种。
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设计2个无性系、22个菌株的双因素交叉试验。采用恒温水培法接种[13]。将木质化褐梗枝条剪成15~20 cm的茎段,每个茎段含有8~10个小枝。每个处理将3~4段褐梗茎段浸入盛有200 ml细菌悬浮液的玻璃瓶内,每瓶含有20~30个小枝。每个处理重复3次,无菌水作对照,置于温度30℃,相对湿度80%,光照时间16 h,强度为8 000 Lux的人工气候箱中培养,连续调查5 d,每天观察记录植株发病情况,第5天数据进行统计分析。
抗性水平的划分方法参考相对病害强度(RDI)[5]及Yamazaki[24]的分级标准,将侵染后的木麻黄小枝分为4个等级(0级,分枝无症状;1级,分枝萎蔫下垂,保持绿色;2级,分枝枯黄、萎蔫下垂;3级,小枝干枯死亡)进行病情分级,计算病情指数。病情指数=(∑(各级病级分枝数×相对级数值)/(调查总分枝数×发病最高级数值))×100。
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设计2个无性系、22个菌株的双因素交叉试验。参考移栽浸根法[25]进行青枯菌致病性检测。抖落苗木土壤,洗净根部,除去基部黄化叶片,剪去1/3根系,浸入配制好的细菌悬浮液中,30~31℃保湿浸根培养30 min后种植于装有草木灰与黄心土(体积比为1:2)的塑料盆中。草木灰与黄心土提前3 d装好,消毒,搅拌均匀。每个处理一盆,每盆种植25~30株,重复3次,无菌水作对照。种植后每天浇水保持盆内湿润,昼夜温度为28~35℃,相对湿度80%以上。每天观察记录植株发病情况,第9天数据进行统计分析。
以株为单位调查,记录无病植株数与死亡植株数,计算死亡率。死亡率(%)=死亡植株数/ 总株数×100。
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试验数据表示为平均值±标准差(SD),采用SAS V8.1统计软件对试验结果进行方差分析,相关分析及Duncan多重比较检验不同平均值间的差异等。
1.1. 病害标本采集
1.2. 病原菌不同分离方法的比较
1.3. 病原菌16s rRNA测序鉴定
1.4. 青枯病菌致病性测定
1.4.1. 参试无性系及菌株培养
1.4.2. 室内水培接种法及病情调查
1.4.3. 小苗盆栽接种法及病情调查
1.5. 统计分析
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采用稀释分离法及根系溢出法均能较好地从木麻黄根系分离出青枯病菌。稀释分离法分离率较高,90%以上的病根可以分离出青枯菌典型菌落,根系溢出法只有60%左右的病根溢出菌脓并分离出典型菌落(表 2)。但根系溢出法直接从溢出的菌脓上挑菌划线培养,操作更加简便,杂菌含量低,通常不需要二次分离即可获得较纯的菌株。方差分析表明,无性系及无性系与分离方法的交互作用对分离率影响不显著,分离率的高低主要是由分离方法不同引起的(表 3)。
无性系
Clone分离方法
Isolation method可分离出的菌株
Isolated strains分离率/%
Isolation rateA13 稀释分离法 B, G, H, K, L, P, Q, R, T, U,
X, Z, AC, AD95.6±3.8 根系溢出法 B, H, Q, R, T, X, Z, AC, AD 57.8±7.7 A8 稀释分离法 A, C, D, E, F, I, J, M, N, O, S,
V, W, Y, AB93.3±6.7 根系溢出法 C, D, E, F, M, O, S, W, Y, AB 60.0±6.7 Table 2. Comparison of two isolation Methods
变异来源
Source of
variation自由度
Degree of
freedom平方和
Sum of
Squares均方
Mean of
SquaresF值
F-Value无性系 1 0.0002 0.0002 0.01 分离方法 1 0.7573 0.7573 43.04** 无性系×分离方法 1 0.0027 0.0027 0.15 误差 8 0.1408 0.0176 注:**示0.01极显著水平。 Table 3. Variance analysis for different isolation Methods
本试验利用两种分离方法共分离出了31个在TTC培养基上具有典型菌落特征的病原菌菌株。分离获得的31个菌株具体情况见表 1。
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以OLI1/Y2为特异性引物扩增16S rRNA基因序列,分离出的31个菌株有22个可在2 h内扩增出280 bp左右的目标条带,且无杂带出现,电泳结果如图 1。对这22个病原菌作进一步测序鉴定,而A、C、E、G、J、L、T、W、AC等9个菌株未扩增出特异性条带,为阴性,不再做进一步测序鉴定。
将22个菌株16S rRNA正反向测序结果进行拼接后与GenBank核酸数据库的基因序列进行比对,结果表明:B、D、F、H、I、K、M、N、O、P、Q、R、S、U、V、X、Y、Z、AB、AD、GL-2及TC-1菌株与数据库中Ralstonia solanacearum菌株(登录号为CP012943.1、CP012939.1)16S rRNA的同源性高达100%,结合菌落培养特征,确认这些致病菌为青枯菌(R. solanacearum)。利用稀释分离法与根系溢出法分离出的同一个菌株在形态,特异性条带及同源性比较中没有差异。其中M菌株16S rRNA与GenBank中一种青枯菌16S rRNA序列的比较见图 2。
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由表 4可见,参试菌株对K18、A14无性系褐化茎段均具有致病性,病情指数在20.0 ~ 94.4之间。22个菌株接种K18茎段后致病性差异极显著(P<0.01),利用Duncan法进行多重比较,将菌株致病性分成若干等级,AD、Y菌株致病性最强,病情指数分别为94.4和90.3;致病性最弱的菌株是N、R和U,病情指数分别为41.9、43.6、45.4。22个菌株接种A14茎段后致病性差异极显著(P<0.01),利用Duncan法进行多重比较,TC-1、GL-2、D菌株致病性最强,病情指数分别为65.6、64.1和61.2;致病性最弱的菌株是I、O、S及V,病情指数低于25。虽然在不同无性系中菌株的致病性强弱排列次序有一定差别,如V、Y、Z菌株在A14无性系中致病性等级下降,TC-1、Q、D、AB菌株在A14无性系中致病性等级提高,但两次测定结果也指示出一定的规律性,菌株AD、Y、GL-2、H、M、TC-1、F、Q、D在两个无性系中致病性均较强,而菌株N、I、U、S、O、R致病性较弱。
菌株
Strain茎段水培接种
Water planting inoculation小苗盆栽接种
Potting inoculationK18 A14 K18 A14 病情指数
Disease indexa=0.01 病情指数
Disease indexa=0.01 死亡率
mortality/%a=0.01 死亡率
mortality/%a=0.01 B 66.2 ± 9.7 bcd 45.9 ± 11.0 abcd 56.0± 16.9 de 33.9 ± 15.1 bcdefg D 64.1 ± 20.6 bcd 61.2 ± 14.8 ab 4.9 ± 2.2 ijk 0.0 ± 0.0 h F 83.2 ± 5.6 abc 49.6 ± 8.6 abcd 90.4 ± 8.6 ab 56.2 ± 14.2 abc H 80.6 ± 12.4 abc 59.3 ± 14.7 abc 93.3 ± 6.1 a 65.2 ± 19.2 ab I 50.1 ± 19.7 cd 20.0 ± 5.2 f 0.0 ± 0.0 k 0.0 ± 0.0 h K 51.4 ± 17.0 cd 41.2 ± 9.2 bcde 26.0 ± 5.2 fgh 47.6 ± 8.2 abcdef M 83.7 ± 7.6 abc 56.1 ± 3.8 abc 84.8 ± 6.1 abc 69.2 ± 19.6 a N 41.9 ± 8.2 d 32.9 ± 3.5 def 1.9 ± 3.2 jk 0.0 ± 0.0 h O 58.5 ± 10.7 cd 21.2 ± 2.4 ef 6.5 ± 3.0 hijk 0.0 ± 0.0 h P 62.9 ± 10.8 cd 40.9 ± 4.1 bcdef 24.2 ± 10.7 ghi 23.9 ± 13.9 defg Q 70.6 ± 3.6 bcd 56.2 ± 7.7 abc 89.2 ± 4.5 abc 49.7 ± 15.4 abcde R 43.6 ± 12.5 d 41.5 ± 12.0 bcde 19.3 ± 6.4 ghi 38.7 ± 26.0 abcdefg S 56.9 ± 24.7 cd 21.1 ± 4.9 ef 0.0 ± 0.0 k 0.0 ± 0.0 h U 45.4 ± 2.6 d 30.8 ± 2.7 def 25.4 ± 4.1 fgh 16.0 ± 4.0 g V 78.7 ± 18.7 abc 22.2 ± 7.1 ef 41.8 ± 31.0 efg 18.8 ± 14.0 fg X 67.7 ± 3.5 bcd 44.1 ± 8.2 abcd 64.6 ± 19.3 cde 31.1 ± 10.2 cdefg Y 90.3 ± 11.7 ab 49.0 ± 14.5 abcd 40.8 ± 9.3 efg 21.5 ± 7.1 efg Z 72.8 ± 19.5 bcd 37.5 ± 8.7 cdef 13.5 ± 5.1 hij 18.9 ± 8.2 efg AB 60.6 ± 19.3 cd 51.6 ± 18.3 abcd 74.1 ± 15.7 bcd 20.1 ± 13.0 efg AD 94.4±9.6 a 56.3 ± 11.3 abc 54.1 ± 10.3 def 32.0 ± 8.2 cdefg GL-2 81.4 ± 9.6 abc 64.1 ± 14.2 a 92.2 ± 3.4 ab 54.5 ± 15.8 abcd TC-1 72.0 ± 19.2 bcd 65.6 ± 13.5 a 89.8 ± 5.8 ab 59.7 ± 29.1 abc 注:所标字母相同表示差异不显著。 Table 4. The pathogenicity of different strains
双因素方差分析结果表明:无性系、菌株及无性系×菌系的F检验都是极显著的(P<0.01),说明茎段水培接种中不同菌株和不同无性系对木麻黄的发病程度有极显著影响,菌株与无性系的交互作用对病情指数也存在极显著影响(表 5)。
试验方法
Method变异来源
Source of variation自由度
Degree of freedom平方和
Sum of Squares均方
Mean of SquaresF值
F-Value茎段水培接种 无性系 1 2.265 2 2.265 2 105.39** 菌株 21 2.896 3 0.137 9 6.42** 无性系×菌系 21 1.075 1 0.051 2 2.38** 误差 88 1.891 4 0.021 5 总计 131 8.128 0 小苗盆栽接种 无性系 1 1.317 3 1.317 3 60.03** 菌系 21 18.184 8 0.865 9 39.46** 无性系×菌系 21 1.529 5 0.072 8 3.32** 误差 88 1.931 1 0.021 9 总计 131 22.962 7 注:**示0.01极显著水平;*示0.05显著水平。 Table 5. Variance analysis for strains pathogenicity
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由表 4可见,22个菌株接种K18小苗后致病性差异极显著(P<0.01),死亡率在4.9% ~ 93.3%之间,利用Duncan法进行多重比较,将菌株致病性分成若干等级,H、F、GL-2菌株致病性最强,造成小苗死亡率90%以上;菌株I、S对K18无性系无致病性,接种2 d后出现轻微萎蔫症状,这主要是由于伤根移栽引起的正常生理现象,培养4 d后植株恢复生长,叶色健康浓绿。22个菌株接种A14小苗后致病性差异极显著(P<0.01),利用Duncan法进行多重比较,将菌株致病性分成若干等级,H、M菌株致病性最强,造成小苗死亡率分别为65.2%、69.2%;菌株D、I、N、O、S对A14无性系无致病性。综合比较分析GL-2、H、M、TC-1、F、Q、AB、X、B在两个无性系中致病性均较强,而菌株N、I、S、O、D、U、P致病性较弱。
双因素方差分析结果表明,菌株致病性在无性系间、菌株间及菌株与无性系间的交互作用均具有极显著差异(P<0.01),表明小苗盆栽接种中不同无性系、不同菌株及菌株与无性系的交互作用对菌株致病性具有极显著的影响(表 5)。
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研究发现N、I、S、O、D菌株对A14、K18无性系小苗无致病性或弱致病性(死亡率0% ~ 6.5%),但这些菌株却能使两个无性系褐化茎段迅速致病,病情指数在20.0 ~ 64.1之间(表 4)。茎段水培接种与小苗盆栽接种相关分析结表明(表 6),不同接种方法之间相关系数值较小,介于0.496 6 ~ 0.754 0之间,表明不同接种方法间菌株致病性线性相关程度为中度相关,即不存在密切的直线相关关系,在茎段水培接种表现强致病性的菌株在小苗盆栽接种中不一定表现出强致病性,反之亦然。
A B C D A 1 0.542 6** 0.632 0** 0.496 6* B 1 0.731 0** 0.692 3** C 1 0.754 0** D 1 注:A:K18无性系茎段水培接种;B:A14无性系茎段水培接种;C:K18无性系小苗盆栽接种;D:A14无性系小苗盆栽接种。*:显著相关;**:极显著相关。 Table 6. Related analysis of strains pathogenicity for different inoculation approaches
经比较分析,综合选择在不同无性系及不同接种方法中均具有较强致病性的GL-2、H、M、TC-1、F、Q菌株作为下一步木麻黄种质资源抗性鉴定及抗病育种研究试验菌株。