Lxx侵染甘蔗后在蔗茎中的积累及对蔗茎组织结构的影响

郭莺 林志楷 汪文华 刘黎卿 何恩铭

摘  要：以接种病原菌 Leifsonia xyli subsp. Xyli（Lxx）的‘拔地拉（‘Badila）甘蔗为研究材料，利用实时定量PCR技术研究病原菌Lxx在蔗茎中的积累情况，采用半薄切片技术研究茎维管束的病变规律。结果表明，在接种Lxx的Badila中，Lxx菌量积累随蔗茎由基层到尾层呈现递减趋势。半薄切片结果表明，接种Lxx蔗茎基部维管组织中的韧皮部和木质部损坏严重，甘蔗茎节处相对茎间的基本细胞小得多，且具有木质部异形、细胞大小不一、细胞整体较为密集。接种Lxx蔗茎维管组织中的韧皮部和木质部损坏程度与Lxx菌量分布呈正相关。甘蔗茎节与茎间的组织结构差异是Lxx菌量由基层到尾层呈现递减的原因之一。本研究为进一步研究Lxx与甘蔗寄主的互作提供了理论依据。

关键词：甘蔗;甘蔗宿根矮化病;Lxx;实时定量PCR;半薄切片

中图分类号：S435.661      文献标识码：A

Abstract： Sugarcane variety ‘Badila which infected with Leifsonia xyli subsp. xyli （Lxx） was used as the materials in this research. The accumulation of Lxx in sugarcane stems was studied by real-time qPCR. And the pathological changes of vascular bundle of stems were studied by the semi-thin section technique. The results showed that the accumulation of Lxx decreased from the base layer to the tail layer in ‘Badila. Severe damage to phloem and xylem in the vascular tissue of the base of sugarcane stems. The basal cells between the stem nodes were much smaller than those between the stems. The xylem was heteromorphism， the cell of xylem was different in size and arranged tightly. The damage of phloem and xylem in the vascular tissue of sugarcane stem infected with Lxx was positively correlated with the distribution of Lxx. It was speculated that the structure difference between the stem node and stem was one of the reasons why the quantity of Lxx decreased from the base layer to the tail layer. It would provide a theoretical basis for the further study of the interaction between bacterial of Lxx and sugarcane hosts.

Keywords： sugarcane; ratoon stuning disease; Leifsonia xyli subsp. xyli （Lxx）; real-time qPCR; semi-thin section

甘蔗宿根矮化病（ratoon stuning disease， RSD）是世界甘蔗主要的病害之一，由1種寄居木质部的棒状杆菌属细菌Leifsonia xyli subsp. Xyli（Lxx）引起，病原细菌大小为（0.25～0.50） μm× （1.00～4.00） μm[1]。Lxx难以分离培养，直到1980年，Davis等[2]才成功获得纯培养的细菌。甘蔗感染RSD后，主要表现为植株矮化、蔗茎变细、分蘖减少等症状，且随宿根年限增加而加重。Ward[3]研究发现，Q138、Q122新植蔗比对照减产19%和22%，第1年宿根分别减产30%和40%。Grisham[4]研究发现，第1年新植蔗减产14%，到第3年减产27%。RSD主要通过收获机械和带病蔗种传播[5]，虽然生产上用50 ℃水处理2 h，对病菌有一定的抑制作用，但并不能完全去除[6-7]。由于感染病害的甘蔗外部和内部均无明显的病症，单从外观难以鉴定，虽然目前利用PCR技术对Lxx病原菌进行检测的方法非常成熟[6， 8-10]，但对操作人员以及设备要求较高，在应用于生产和大批量检测中存在很大困难，使得病害蔓延。本研究主要以感染RSD病菌后的‘Badila和健康的‘Badila甘蔗为研究材料，应用定量PCR和组织切片技术，揭示RSD病原菌侵染后，菌量在蔗茎中的分布情况与茎维管束的病变规律，为进一步研究Lxx与甘蔗寄主的互作关系提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

选择RSD易感甘蔗品种‘Badila，利用Lxx-PCR检测[8]蔗茎确认不带病后砍成双芽段，进行温汤处理2 h。利用本实验室分离培养的Lxx菌液接种蔗茎剖面，28 ℃培养6 h，于2017年2月种于福建省亚热带植物研究所，共种植50株，并于2017年12月对接种甘蔗进行Lxx病原菌检测。

1.2  方法

1.2.1  感病蔗茎中Lxx病原菌DNA提取  按图1所示取蔗茎不同部位，蔗茎在流水中冲洗5 min，去皮，将蔗茎切成约1 cm×1 cm×3 cm大小。用钳子榨取蔗汁于2 mL离心管中并立即放入冰盒中，以减少蔗汁褐变，3000 r/min离心2 min，取上清，5000 r/min离心1 min后弃上清，用PBS缓冲液重悬浮。参照TIANamp Bacteria DNA Kit 细菌基因组DNA提取试剂盒（TIANGEN）说明书进行操作。

1.2.2  荧光定量PCR对蔗茎中Lxx绝对定量  参照Carvalho等[6]的方法进行Lxx细胞数的定量。荧光定量标准曲线样品的制备：对Lxx菌基因组进行稀释，先用超微量分光光度计测定Lxx基因组的质量和浓度，稀释到约10 ng/μL（每次稀释后，初始浓度略有差异），作为Lxx基因组梯度稀释母液，按10倍浓度梯度稀释5个梯度。待测DNA样品用超微量分光光度计测定其浓度并做记录，每个样品取2 μL用于定量分析。荧光定量的引物见表1，PCR体系为：10 μL SYBR Premix ExTaq II（Tli RNaseH Plus）（2×），0.8 μL正向引物Lxx12950 F1，0.8 μL反向引物Lxx 12950 R1，0.4 μL ROX Reference Dye II（50×），2 μL DNA模板，ddH2O 6 μL。PCR扩增条件为：95 ℃预变性30 s，95 ℃变性10 s，60 ℃退火延伸30 s，40个循环。将样品在ABI 7500上扩增，每个样品技术重复3次，以无菌水为模板的体系作对照，根据标准曲线算出每个样品的Quantity Mean，DM=Quantity Mean/Concentration of Leaf Genome （ng/μL），2.63×10?6 ng为每个Lxx细胞中基因组质量（来自Lxx CTCB07，GenBank：AE0168?22.1），根据公式NC=DM/2.63×10?6来评估Lxx细胞个数，NC，即为甘蔗葉片中Lxx滴度。获得的病原菌含量数据采用SPSS统计软件进行方差分析。

1.2.3  树脂半薄切片的制作  对PCR检测成阳性的样品取样，取蔗茎芽部、近带蔗皮处、茎中央、茎节、茎间中央各部位组织，具体如图2所示。

1：基层茎节处;2：基层茎节间;3：中层茎节处;

4：中层茎节间;5：尾部茎节处;6：尾部茎节间。

1： Basal stem node ; 2： Basal stem Internode; 3： Middle stem node; 4： Middle stem Internode; 5： Tail stem node; 6： Tail stem Internode.

（1）前固定：将不同组织部位材料，用刀片切成截面1 mm×1 mm，长3 mm大小，置于0.2 mL离心管中，做好标记，加入已配置好的2.5% 戊二醛溶液，抽真空赶走气泡，使固定液和组织充分接触，置于4 ℃，3 h。

2  结果与分析

2.1  Lxx病原菌在蔗茎中的分布情况

感染RSD的‘Badila蔗株茎部由基层到尾层，Lxx菌量呈现递减趋势，甘蔗基部茎节处Lxx含菌量最高，基部茎间相对茎节Lxx菌含

量下降了44.89%，中间茎间相对茎节含量下降了49.26%，而顶端茎间相对茎节下降18.46%，但经统计学分析各部位的菌量差异未达到显著水平。

图3  感染RSD甘蔗蔗茎中Lxx病原菌含量

Fig. 3  Content of Lxx in sugarcane stems infected

with RSD

2.2  感染Lxx病原菌对蔗茎局部结构的影响

对健康蔗株和RSD蔗株根带芽处进行横向切片发现（图4），RSD芽轴、芽原基染色较深（图4A1，图4a1）。通过对茎部根带、茎间的维管组织切片发现，健康蔗株维管组织结构相较于RSD蔗株完好，主要差异体现在韧皮部和近导管处（图4A2，图4a2），此外茎节处的异形木质部内染色较重，存在不明内容物（图4a2）。对茎基部、中部、顶部3层维管组织进行的切片镜检结果显示，RSD蔗株基部和中部的维管组织结构破损严重，中间的原形成层细胞散裂明显（图4a3，图4a4），顶端蔗茎维管组织结构完好清晰（图4a3，图4a4，图4a5），健康蔗株与RSD蔗株一样，基部维管组织染色较深，但基部、中部、顶部维管组织，结构完好，差异不大（图4A3，图4A4，图4A5）。

从茎节和茎间的局部纵切面的维管组织切片发现（图5），无论是健康的还是感病的甘蔗茎节的基本细胞相较于茎间的小得多，且具有木质部异形、细胞大小不一、细胞整体较为密集的情况，推测茎节的组织结构在一定程度上阻碍了病原菌的向上运输。

A1～5为健康蔗株茎部局部结构，a1～5为RSD蔗株茎部局部结构。A1、a1为茎节芽部，A2、a2为茎节处维管组织，A3～5、

a3～5 分别为健康/RSD 蔗株基部（3）、中部（4）、顶部（5）维管组织。Xy：木质部;Ph：韧皮部;Bp：芽原基;Ste：芽轴。

A1-5 is a local structure of the stem of healthy sugarcane， and a1-5 is a part of the stem of the sugarcane infected RSD. A1， a1 are stem node bud. A2， a2 are vascular tissue at stem node. A3-5， a3-5 are healthy/RSD infected sugarcane base （3）， middle （4）， apical （5）. Xy： xylem; Ph： phloem; Bp： bud primordium; Ste： protocambium.

3  討论

甘蔗茎为实心，可分为表皮、皮层、基本组织、维管束4个部分。表皮外被有明显的角质层，下皮层以内是不同程度加厚的皮层细胞，维管束贯穿于基本组织中，分散于整个切面内，靠边缘的维管束和靠中央的维管束在鞘细胞的排列方式上是不同的。靠边缘的维管束导管口径较小，但维管束鞘较发达，向心加厚;靠中央的维管束导管口径较大，维管束鞘不如边缘维管束明显，成典型帽状分布，即在韧皮部和木质部均有厚壁细胞。基本组织由薄壁细胞组成，分布于皮层内部维管束之间，维管束相互连接构成维管系统，主要作用是为植物体输导水分、无机盐和有机养料等，也有支持植物体的作用。胡敏[11]通过原位PCR方法对感染RSD的甘蔗Lxx的定位分析发现，在蔗茎维管组织中，Lxx主要分布在维管组织的木质部导管、韧皮部处，尤其是木质部与韧皮部之间的原形成层处。本研究RSD蔗株茎样品半薄切片呈现出木质部、韧皮部细胞形状异形且细胞散裂，原形成层细胞也存在散裂明的现象。此外茎节处的异形木质部内染色较重，存在不明内容物，这与Giliaspie等[12]和陈明辉等[13]研究结果一致，推测是Lxx菌表面的病原相关分子如多糖或鞭毛蛋白等刺激诱导产生非特异防御或者是植物R蛋白识别病原微生物后所产生特异性防御所产生的分泌物质。其不明内容物影响了筛分子对糖（蔗糖为主）、蛋白质、脂肪、氨基酸、酰氨、维生素、无机盐和植物激素的运输，从而导致染病的蔗株变矮，蔗茎变细，生长迟滞。

过去的研究发现，Lxx侵染甘蔗后主要集中在其甘蔗茎基部2～3节间处[14]。本研究发现，Lxx菌量随蔗茎生长从下往上逐层减少，这与对茎基部、中部、顶部3层维管组织进行的切片镜检结果中维管组织的完整性存在一定的关联性，感染RSD蔗株基部维管组织结构破损严重，顶端蔗茎维管组织结构完好清晰。横向切片的结果表明，甘蔗茎节的基本细胞相较于茎间的小得多，且具有木质部异形、细胞大小不一、细胞整体较为密集的情况。根据q-PCR对RSD蔗株茎部病原菌Lxx的富集量分析发现，茎间蔗汁中Lxx的菌量少于茎节处，推测茎节与茎间的结构差异可能是Lxx定植差异导致的，其体现病原菌与寄主互作过程中，病原菌Lxx对定植微生态的自主选择。

RSD的主要传播途径是收获机械、刀具以及带病的蔗种[15]，Comstock等[5]研究证明，RSD按照甘蔗收获顺序传播，而带病蔗茎做为蔗种，引发了下一轮收获传播。在本研究中对健康蔗株和RSD蔗株茎节芽处进行横向切片发现，RSD芽轴、芽原基相对周围其他组织染色较深，q-PCR结果也表明，茎节处Lxx含量较高，而芽轴是未发育的茎，RSD之所以会造成蔗区大量减产，很大程度上是由于甘蔗是腋芽进行无性繁殖的作物。

4  结论

感染RSD的蔗茎维管组织中的韧皮部和木质部的损坏程度与Lxx菌量分布呈正相关。甘蔗茎节与茎间的组织结构差异是Lxx菌量由基层到尾层呈现递减的原因之一，以上结果为今后进一步研究Lxx与甘蔗寄主的互作提供了一定的理论依据。

参考文献

胡  敏， 汪文华， 何恩铭， 等. 快速简单组织定位甘蔗RSD致病菌Lxx的原位PCR方法[J]. 华侨大学学报（自然科学版）， 2018， 39（2）： 221-226.

Davis M J， Gillaspie A G Jr， Harris R W， et a1. Ratoon stunthing disease of sugarcane： isolation of the causal bacterium[J]. Science， 1980， 210（4476）： 1365-1367.

Ward M. RSD yield effect trials[J]. Bses Bullet， 1992， 39： 6-7.

Grisham M P. Effect of ratoon stunhing disease on yield of sugarcane grown in multiple three-years planting[J]. Phytopathology， 1991， 81（3）： 337-340.

Comstock J C， Shine J M， Davis M J， et al. Relationship between resistance to Clavibacter xyli subsp. xyli colonization sugarcane and spread of ratoon stunting disease in the field[J]. Plant Disease， 1996， 80（6）： 704-708.

Carvalho G， Silva T G E R D， Munhoz A T， et al. Develop-

ment of a qPCR for Leifsonia xyli subsp. xyli and quantification of the effects of heat treatment of sugarcane cuttings on Lxx[J]. Crop Protection， 2016， 80（2）： 51-55.

游建华， 曾  慧， 李  松， 等. 甘蔗脱毒健康种苗田间比较试验[J]. 中国糖料， 2005（2）： 12-15.

Pan Y B， Grisham M P， Burner D M， et al. A polymerase chain reaction protocol for the detection of Clavibacter xyli subsp. xyli， the causal bacterium of sugarcane ratoon stunting disease[J]. Plant Disease， 1998， 82（3）： 285-290.

邓展云， 刘海斌， 李  鸣， 等. 广西甘蔗宿根矮化病菌的 PCR检测[J]. 西南农业学报， 2004， 17（3）： 324-327.

沈万宽， 周国辉， 邓海华， 等. 甘蔗宿根矮化病菌PCR检测及目的片段核苷酸序列分析[J]. 中国农学通报， 2006， 22（12）： 413-416.

胡  敏. 宿根矮化病菌侵染对甘蔗组织结构和C4途径关键酶活性的影响[D]. 厦门： 华侨大学， 2018.

Giliaspie A G， Teakle D S. Ratoon stunting disease[M]// Ricaud C， Egan B T， Gillaspie A G， et al. Disease of sugarcane. Amesterdam： Elsevier Publishing Company， 1989： 59-80.

陈明辉， 谢晓娜， 杨丽涛， 等. 宿根矮化病菌对甘蔗茎细胞超微结构的影响[J]. 华南农业大学学报， 2013， 34（3）： 336-339.

Bailey R A. The systemic distribution and relative occurrence of bacteria in sugarcane varieties affected by ratoon stunting disease[J]. South African Sugar Journal， 1977， 51： 55-56.

Taylor P W J， Ryan C C， Birch R G. Harvester transmission of leaf scald and ratoon stunting disease[J]. Phytopathology， 1991， 81： 337-340.