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棘孢木霉PT-29代谢产物抑制镰刀菌毒素的产生

2023-12-22张轶敏王东王煜郝建秀周洪友

江苏农业科学 2023年21期
关键词:生物防治

张轶敏 王东 王煜 郝建秀 周洪友

摘要:为了解棘孢木霉(Trichoderma asperellum)PT-29的抑菌机制及其代谢产物对尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)ZY-3-1的生防作用,采用双培养试验、对扣试验、培养滤液试验,测定棘孢木霉PT-29及其代谢产物对尖孢镰刀菌ZY-3-1的拮抗作用,并使用荧光定量PCR和高效液相色谱技术,定量分析了棘孢木霉代谢产物对尖孢镰刀菌ZY-3-1中镰刀菌酸的抑制作用。结果表明,棘孢木霉PT-29对尖孢镰刀菌ZY-3-1的抑菌率达63.64%,同时增强了马铃薯植株对尖孢镰刀菌的抗性;木霉代谢液、挥发性物质对尖孢镰刀菌ZY-3-1的抑菌率分别达52.22%、42.86%。木霉代谢产物处理抑制镰刀菌酸相关合成基因的表达;木霉代谢液处理后,尖孢镰刀菌中镰刀菌素含量为0.003 3 μg/mL,木霉挥发性代谢产物处理后,尖孢镰刀菌中镰刀菌素的含量为0.031 8 μg/mL,均显著低于对照组菌株镰刀菌素的含量(0.086 0 μg/mL)。本研究初步解释了棘孢木霉对尖孢镰刀菌的生防机制,棘孢木霉PT-29的代谢产物在防治马铃薯枯萎病中展现出巨大潜力,可为马铃薯枯萎病的防治提供新的思路和见解。

关键词:棘孢木霉;生物防治;尖孢镰刀菌;镰刀菌酸;次级代谢物

中图分类号:S435.32 文献标志码:A

文章编号:1002-1302(2023)21-0126-07

马铃薯(Solanum tuberosum)是我国重要的粮食作物之一,由于其自身独特的营养和适应性,在提供碳水化合物、蛋白质、纤维、多种维生素、矿物质方面发挥着举足轻重的作用[1]。近年来,随着对马铃薯种植和生产的愈发重视,我国马铃薯的种植范围不断扩大。然而,马铃薯植株易受土传真菌的侵染,造成马铃薯的产量和品质下降,导致严重的经济损失。其中,马铃薯枯萎病的发生较为严重[2]。病原尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)通过菌丝侵入宿主维管系统,损害宿主植物,分泌水解酶和真菌毒素,造成马铃薯的根、茎坏死,细胞凋亡,叶片萎蔫,植株在几周内死亡,最终导致马铃薯产量受损[3-5]。马铃薯枯萎病的防治一直是农业生产中的难题,传统的防治措施包括加强田间管理、使用化学杀菌剂、利用抗性品种等[6]。对于许多病原真菌,应用化学杀菌剂是一种高效的管理措施。但過度使用合成农药,会导致空气污染、土壤肥力下降、食物中农药残留超标等负面影响;而过度使用化学杀菌剂,极有可能产生新的病原菌或抗药性菌株[7-8]。

大量研究表明,生物防治是一种绿色可持续的农业管理措施,能够有效控制病原菌的生长和繁殖[9]。近年来,来自微生物的次生代谢产物(secondary metabolites,SMs)在植物病害防治中发挥了重要作用[10]。2021年,Yue 等从海葵共生真菌Emericella sp. SMA01中分离出吩嗪类物质吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylic acid),能有效抑制辣椒疫霉[11]。棘孢木霉是当今使用最广泛的生防制剂,其生防机制与其次生代谢产物(SMs)密切相关,木霉属物种能够产生多种次级代谢物,不同次级代谢物可抵抗不同的病原体[12]。例如,棘孢木霉(CBS 433.97)产生的次级代谢产物——苯乙醇,对禾谷镰刀菌和尖孢镰刀菌均具有明显的抑制作用[13]。Tomah 等研究发现,绿色木霉(T. virens)产生的胶霉毒素(gliotoxin)能显著降低辣椒疫病的发病率和严重程度[13]。尖孢镰刀菌是一种丝状真菌,可产生44种具有多种生物活性的次级代谢产物[14]。镰刀菌酸(fusaric acid,FA)(5-丁基吡啶羧酸)是尖孢镰刀菌分泌的常见毒素之一,也是主要致病因子,其合成基因和调控途径已被广泛研究。Smith等研究表明,镰刀菌酸的合成与FUB基因簇相关[15-16]。聚酮合酶(PKS,FUB1)、未知蛋白(FUB2)、天冬氨酸激酶(FUB3)、丝氨酸水解酶(FUB4)共同作用产生镰刀菌酸毒素,通过qPCR方法检测其基因表达水平,可推断镰刀菌酸的合成是否受到影响[17]。

越来越多的研究更加关注利用木霉衍生的抗真菌化合物探索防治病害的机制[18-19]。鉴于木霉菌次级代谢产物的广泛应用及其显著的抗真菌活性,有必要对以棘孢木霉(T.asperellum)PT-29的次级代谢产物作为防治马铃薯枯萎病的潜在生物农药进行评价[20]。本试验在温室条件下评价尖孢镰刀菌(F. oxysporum)ZY-3-1对马铃薯的致病性,分析棘孢木霉PT-29代谢产物对菌株ZY-3-1的抑制作用,同时结合液质联用技术,初步探究棘孢木霉PT-29代谢产物对菌株的抑制机制,以期为马铃薯枯萎病的防治提供新的思路和方法[21]。

1 材料与方法

1.1 菌株材料与培养条件

棘孢木霉 (T.asperellum) PT-29与尖孢镰刀菌(F. oxysporum)ZY-3-1由内蒙古农业大学生物农药实验室菌种保藏库提供。培养条件:培养基为马铃薯葡萄糖琼脂(PDA:200 g马铃薯切碎煮沸的滤液,20 g葡萄糖,17 g琼脂,1 000 mL蒸馏水);将用甘油保存的尖孢镰刀菌(F. oxysporum)ZY-3-1菌饼放入PDA中,黑暗条件(28 ℃)下培养 7 d;长出新菌丝后将5个菌饼放入马铃薯葡萄糖肉汤(PDB)中,180 r/min(28 ℃)离心培养7 d。用无菌水将孢子悬液的浓度调节至1×106 CFU/mL,使用普通光学显微镜观察计数。供试马铃薯品种为Favorite,种薯和组培苗均购自武川县塞丰马铃薯种业有限公司。

1.2 棘孢木霉PT-29代谢液的制备

将5个棘孢木霉PT-29菌饼放入含有250 mL马铃薯葡萄糖肉汤(PDB)中,180 r/min(28 ℃)离心培养7 d。7 d后用双层纱布过滤,除去菌丝体,离心10 min(9 000 r/min),收集上清液并使用 0.22 μm 水系过滤器除菌,获得的代谢物保存于 4 ℃ 条件下备用[22]。

1.3 致病性分析

试验于2022年7月在内蒙古农业大学园艺与植物保护学院日光温室内进行。马铃薯脱毒微型薯置于2% NaClO溶液中滅菌10 min,后置于75%乙醇中1 min,最后用无菌水冲洗3次[23]。将基质与土壤按1 ∶4的体积比例混匀,用于培养马铃薯幼苗。马铃薯播种25 d后,对马铃薯幼苗进行伤根处理。空白对照:只接种20 mL无菌水;阳性对照:只接种20 mL 1×106 CFU/mL ZY-3-1菌悬液至根系周围土壤中;处理:将20 mL 1×106 CFU/mL 的棘孢木霉 PT-29 菌悬液加入至根系周围土壤中,接菌处理 2 d 后,将20 mL 1×106 CFU/mL 的尖孢镰刀菌 ZY-3-1 菌悬液加入至上述处理后的盆栽中。每组处理重复3次。接种尖孢镰刀菌 ZY-3-1 20 d后,观察植株叶片发病情况。按病害严重度分级,标准如下:1 为无明显损伤;2 为病斑直径<1.0 cm;3 为病斑直径为1.0~1.5 cm;4 为病斑直径为1.5~2.0 cm;5 为病斑直径>2.0 cm,病斑相连呈不规则大斑块;6 为整片叶片侵染发病。计算病情指数,病情指数=∑(各级病叶数×各级代表值)/(调查总叶数×最高级代表值)×100。

取3片大小一致且完全展开的马铃薯叶片,放入装有滤纸的保湿盒中。将真菌接种在马铃薯叶片背面,每组重复3次。空白对照(CK):只接种 20 μL 清水;阳性对照(B):只接种20 μL 1×106 CFU/mL ZY-3-1;处理(A):先接种20 μL 1×106 CFU/mL棘孢木霉 PT-29 悬浮液,2 d后接种 20 μL 1×106 CFU/mL ZY-3-1。在保湿盒中加入少量水,保证叶片足够湿润,每天拍照观察叶片的发病情况[24]。

1.4 棘孢木霉PT-29对尖孢镰刀菌ZY-3-1的生物测定

将直径为5 mm的棘孢木霉PT-29、尖孢镰刀菌ZY-3-1菌饼置于PDA培养基上,彼此相距 5 cm,距离平板两边2 cm。对照组中,ZY-3-1被单独放置在含有PDA的培养皿(9 cm)中。28 ℃下培养7 d,处理和对照平板同时重复3次。每天观察生长情况并记录菌落直径,当对照组中的菌落直径达到最大值时停止记录[25]。菌丝生长抑制率=(C-T)/C×100%,其中,T、C分别是处理、对照平板中尖孢镰刀菌的菌落直径。

1.5 棘孢木霉PT-29代谢产物抗真菌的生物测定

通过密封平板法测试棘孢木霉PT-29的挥发性代谢产物对尖孢镰孢菌ZY-3-1生长的影响[26]。棘孢木霉PT-29、尖孢镰刀菌ZY-3-1在含有PDA 的培养皿中分别生长3、7 d。从培养皿上切下菌饼(直径5 mm),分别放入培养基的中心,移除培养皿盖,然后将2个培养皿底部对扣并用密封膜密封。以仅含有ZY-3-1菌饼的PDA作为对照,在28 ℃下培养5 d[27]。采用“1.4”节中的方法测定挥发性代谢产物对尖孢镰刀菌ZY-3-1的菌丝生长抑制率,每个处理重复3次。

配制PDA培养基,将制备好的棘孢木霉PT-29代谢液以25%的体积比加入到PDA中,无菌蒸馏水以25%的体积比加入PDA作为对照,分别制作平板。将菌株ZY-3-1的菌饼 (直径5 mm) 接种到含有棘孢木霉PT-29代谢液和对照的PDA平板中。28 ℃下培养7 d,每个处理重复3次。用十字交叉法测定ZY-3-1的菌落直径,计算菌丝生长抑制率,计算方法同“1.4”节。

1.6 镰刀菌酸相关致病基因的相对表达水平

收集 “1.5” 节中挥发性代谢产物和代谢液处理菌株ZY-3-1的菌丝,用qRT-PCR方法检测镰刀菌酸相关基因(FUB1、FUB2、FUB3、FUB4)的表达。actin作为内参基因。 qRT-PCR中使用的基因引物为FUB1 F:ACTTCGCCTCGTCATCTC,R:GAACCCAGCATCAAACTTAT; FUB2 F:GCCAACTGCTGTCACTAT,R:TTCCGAGGTGGAGATTAG;FUB3 F:CCCGATACACCATACCCT,R:CCAACTTCTTGCCGTGAG;FUB4 F:CACCCTTGCTCATCACAG,R:CGTAAAAATATCCTTCCGAATAATC;actin F:GAGGGACCGCTCTCGTCGT,R:GGAGATCCAGACTGCCGCTCAG。使用Primer Script RT Master Mix (TaKaRa公司,中国)合成第一链cDNA,qRT-PCR程序为 95 ℃ 1 min;95 ℃ 5 s,60 ℃ 15 s,40个循环。每次处理进行3次独立的定量PCR检测,根据CT值法计算目标基因的相对表达水平[28-29]。

1.7 液相色谱定量镰刀菌酸

尖孢镰刀菌ZY-3-1及经木霉PT-29代谢产物处理后的尖孢镰刀菌ZY-3-1经过4 ℃解冻混匀后,准确移取2 g 菌丝,混于15 mL离心管中,然后加入5 mL乙酸乙酯,振荡混匀10 min,低温超声15 min,5 000 r/min离心10 min,将上清液转移至另一个15 mL离心管中,重复提取3次,合并样品,低温冻干,然后用0.5 mL色谱级甲醇定容,振荡混匀5 min,过0.22 μm滤膜,待测。

通过连接到检测器(Prostar DAD 330,variable,德国)的HPLC(Jasco公司,日本)进行分析,波长为270 nm,色谱柱为250 nm×4.6 nm,填料直径为 0.5 μm,柱温为25 ℃[30]。流动相为10%甲酸水和甲醇的梯度,体积比为1 ∶9。流速为0.1 mL/min,采用外标法定量分析,镰刀菌酸标准品浓度≥98%。

1.8 统计分析

使用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和数据处理;并使用Graphpad 9.0软件进行数据统计分析并作图[31]。

2 结果与分析

2.1 马铃薯盆栽试验病情指数的统计及离体叶片的发病症状表现

由图1的盆栽试验可知,生长25 d 的馬铃薯苗,接种菌株ZY-3-1 20 d后,植物表现出叶片变黄、萎蔫及维管束变褐的症状,病情指数为65.91;而棘孢木霉PT-29灌根处理18 d后,马铃薯叶片变黄和萎蔫程度显著降低,病情指数为25.81,显著低于阳性对照(P<0.05)(表1)。利用离体叶片接种法接种,接种3 d后,接种部位出现病斑;接种5 d 后,病斑明显扩大且叶片开始发黄,接种7 d后马铃薯离叶片产生明显的坏死症状,接种部位腐烂明显,大部分叶片变黄,病斑面积较大,而用棘孢木霉PT-29处理过的叶片症状较轻(图2)。

2.2 棘孢木霉PT-29菌株对病原体拮抗作用的影响

通过双培养生物测定试验发现,棘孢木霉PT-29对菌株ZY-3-1的生长速率和颜色产生影响(图3),菌株ZY-3-1培养5 d后,菌落的直径为7.7 cm,呈深红色,菌丝致密且生长较快;而与棘孢木霉PT-29共培养5 d后,菌株ZY-3-1菌落的直径为2.8 cm,呈红色,靠近棘孢木霉PT-29菌株方向的病原菌生长缓慢,菌丝稀疏;棘孢木霉PT-29对菌株ZY-3-1的抑制率达到63.64%。

2.3 棘孢木霉PT-29代谢产物对生物量和菌落生长的影响

用双平板法测定棘孢木霉PT-29释放的挥发性有机化合物对菌株ZY-3-1菌丝生长的抑制活性,ZY-3-1与棘孢木霉PT-29菌落没有物理接触。挥发性有机化合物抑制了菌株ZY-3-1菌落的直径,未经处理的菌株ZY-3-1菌丝体在培养 5 d 后,直径为3.5 cm;相比之下,用挥发性有机化合物处理的菌丝体生长直径为2.0 cm,抑菌率为42.86%;菌株ZY-3-1菌落产生深红色素,经处理的菌株ZY-3-1菌落为浅红色(图4-A)。

在含有棘孢木霉PT-29代谢产物的马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)平板上,检测棘孢木霉PT-29代谢物对菌株ZY-3-1的影响。结果如图4-B显示,在含有棘孢木霉PT-29代谢液的平板中,菌株的菌丝体生长被明显抑制,抑制率为52.22%,菌丝体质地稀疏且无色素产生;而对照组的菌丝体质地致密且产生浅红色素。

2.4 棘孢木霉PT-29代谢产物对镰刀菌酸含量的影响

通过液相色谱检测镰刀菌酸的含量,结果(图 5-A)表明,菌株ZY-3-1、棘孢木霉PT-29挥发性代谢产物处理的菌株ZY-3-1、棘孢木霉PT-29代谢液处理菌株ZY-3-1产生的镰刀菌酸的峰面积分别为5.963、1.831、0.120。由此推断,处理前后菌株中的镰刀菌酸含量发生了改变。通过镰刀菌酸标准品构建基于峰面积和镰刀菌酸质量浓度的标准曲线(y=49.178x-72.565,r2=0.998 8)发现,棘孢木霉代谢液处理组中镰刀菌酸含量为0.003 3 μg/mL,棘孢木霉PT-29挥发性物质处理组的镰刀菌酸含量为0.031 8 μg/mL,而对照组中镰刀菌酸含量高达0.086 0 μg/mL(图5-B),处理前后镰刀菌酸含量差异极显著(P<0.001)。

2.5 棘孢木霉PT-29代谢产物对镰刀菌酸毒素合成基因表达的影响

为进一步确认镰刀菌酸的合成受到了抑制,通过qRT-PCR技术检测棘孢木霉PT-29代谢产物对镰刀菌酸毒素相关合成基因表达的影响。结果表明,经棘孢木霉挥发性物质处理过的菌株ZY-3-1中镰刀菌酸的FUB基因(FUB1、FUB2、FUB3、FUB4)表达均显著下降(P<0.05)(图6-A);经棘孢木霉代谢液处理过的菌株ZY-3-1中的镰刀菌酸合成相关基因的表达水平均显著降低(P<0.05)(图6-B)。以上结果表明,棘孢木霉代谢物能有效抑制镰刀菌酸毒素相关合成基因的表达,进而降低镰刀菌中镰刀菌酸毒素的含量。

3 结论与讨论

棘孢木霉具有良好的拮抗能力,常被用作有效生防真菌来抑制病原真菌的生长,对植物及病原菌具有高效的生防机制[32]。研究表明,海洋生境棘孢木霉TCS007对16种植物病原菌的抑制率为56.65%~87.62%[33]。棘孢木霉M2对8种植物病原菌均有较好的抑制能力,并且可以促进植物生长[34]。本研究比较了棘孢木霉PT-29对尖孢镰孢菌的抑制作用,结果表明,棘孢木霉PT-29对菌株ZY-3-1有较强的拮抗作用,其抑菌率可达63.64%,防治效果较好。同时盆栽试验结果显示,加入棘孢木霉PT-29后对病原菌ZY-3-1有抑制效果,具有较高的应用价值。棘孢木霉能够通过多种生防机制对多种植物病原真菌起拮抗作用,如通过分泌代谢产物来抑制病原菌的生长。棘孢木霉分泌的6-正戊基-2H-吡喃-2-酮(6-PAP)对尖孢镰刀菌具有较好的抑制效果[35]。前人研究表明,棘孢木霉菌株GH-20产生的挥发性代谢产物(volatile gas,VOG)、非挥发性代谢产物(non-VOG)对病原菌的抑菌率分别为59.95%、79.49%[36]。

本试验结果表明,棘孢木霉PT-29代谢产物对尖孢镰刀菌ZY-3-1的生长均有抑制作用,棘孢木霉PT-29释放的挥发性化合物对尖孢镰刀菌 ZY-3-1产生拮抗作用(图4-A)且防治效果达42.86%,棘孢木霉PT-29培养的代谢液能更好地抑制菌落生长(图4-B),防治效果达52.22%。挥发性化合物和代谢液均导致菌丝生长异常、菌落密度稀疏和抑制色素形成。说明棘孢木霉释放的次生代谢产物可能与尖孢镰刀菌ZY-3-1的主要代谢产物相互作用。镰刀菌酸是尖孢镰刀菌的主要致病毒素之一,并以高浓度存在于菌丝之中[37]。本研究通过液相色谱检测了FA的含量,其含量在经过棘孢木霉PT-29代谢产物处理之后显著降低。作为尖孢镰刀菌的致病毒素,其含量减少意味毒力降低[38-39]。前人研究表明,哈茨木霉T22可使剑兰球茎中尖孢镰刀菌的镰刀菌酸含量降低[21]。西芹醇层物可使镰刀菌酸含量下降到38.09%、59.54%、36.78%、36.65%[40]。本试验通过 qRT-PCR 检测,证明棘孢木霉PT-29代谢产物对镰刀菌酸合成相关基因FUB1、FUB2、FUB3、FUB4的表达具有显著抑制作用。与对照相比,棘孢木霉 PT-29 挥发性物质处理后FUB1、FUB2、FUB3基因的相对表达水平均在0.12~0.21之间,FUB4基因相对表达水平为0.36;代谢液处理后的FUB基因组相对表达水平均在0.06~0.09之间。通过HPLC试验,确定棘孢木霉PT-29挥发性物质处理后,菌株 ZY-3-1中镰刀菌素含量降低62.79%,代谢液处理后,菌株ZY-3-1中镰刀菌酸含量降低96.16%;这种差异可能与棘孢木霉PT-29中的代谢物质差异有关。

本研究初步证实棘孢木霉PT-29能够有效抑制镰刀菌生长,其次级代谢产物可抑制镰刀菌酸合成,降低尖孢镰刀菌的致病性,从而对尖孢镰刀菌进行有效防控。未来将针对棘孢木霉PT-29代谢物中有效抑菌成分及尖孢镰刀菌防控措施进行深入研究,利用遗传和生物工程手段提高木霉生防菌剂含量,将其发展为主要有效成分,应用于植物病害防治的生产实践中。

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收稿日期:2023-02-07

基金项目:内蒙古自治区重点研发项目(编号:2022YFHH0036);中央引导地方科技发展资金(编号:2021ZY0005);内蒙古自治区科技重大专项(编号:2021ZD0005)。

作者简介:张轶敏(1996—),女,内蒙古鄂尔多斯人,硕士研究生,主要研究方向为有害生物综合防治。E-mail:1305070717@qq.com。

通信作者:周洪友,博士,教授,研究方向为植物病害防治及植物病理学。E-mail:hongyouzhou2002@aliyun.com。

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