2湖南省林业科学院生物能源研究所,湖南长沙 410002
作者 通讯作者
基因组学与生物技术, 2020 年, 第 9 卷, 第 5 篇
收稿日期: 2020年03月31日 接受日期: 2020年04月21日 发表日期: 2020年05月07日
丰雪春, 陈建华, 蒋丽娟, 李培旺, 周宵, 陈景震, 2020, 板栗栗疫病病原菌的分离与鉴定, 基因组学与生物技术, 9(5): 1-7 (doi: 10.5376/gb.cn.2020.09.0005) (ChangT., Li G., Guan M., and Zhang Z.Q., 2020, Isolation and identification of pathogen of chestnut blight, Jiyinzuxue Yu Shengwu Jishu (Genomics and Biotechnology), 9(5): 1-7 (doi: 10.5376/gb.cn.2020.09.0005))
为了筛选湖南省板栗疫病的主要致病菌,明确引起板栗疫病的致病真菌种类,并进一步为栗疫病病害的诊断和防治提供有力的理论基础。在2017-2019年间,从湖南省的板栗种植基地,采集疑似板栗疫病的样品,采用常规组织分离法和PDA、PDB培养基,进行病样的分离、纯化培养。通过形态学观察和真菌rDNA-ITS序列分析相结合的方式对病原菌进行鉴定。结果表明,从具有栗疫病的板栗基部分离得到2株真菌,经形态学初步鉴定为板栗疫病菌Cryphonectria parasitica,对其进行室内致病性试验表现出与田间自然发病一致的症状;PCR技术扩增病原菌的rDNA-ITS基因,得到长度为725bp的DNA片段。菌株序列与板栗疫病菌模式菌株的序列同源性达到99%。结合形态特征、序列分析与系统进化分析,明确引起板栗疫病的病原菌是板栗疫病菌。本研究为湖南省板栗疫病的病害防治工作提供参考。
Isolation and Identification of Pathogen of Chestnut Blight
Feng Xuechun 1 Chen Jianhua1 Jiang Lijuan1 Li Peiwang2 Zhou Xiao1 Chen Jingzhen1,2*
1 Central South University of Forestory and Technology, College of Life Sciences and Technology, Changsha, 410002; 2 Hunan Academy of Forestry Sciences, Bioenergy research institute, Changsha, 410002
* Corresponding author, chenjingzhen621@sina.com
Abstract In order to screen the main pathogenic bacteria of chestnut blight in Hunan province, identify the types of pathogenic fungi causing chestnut blight, and further provide a strong theoretical basis for the diagnosis and prevention of chestnut blight. From 2017 to 2019, samples of suspected chestnut blight were collected from chestnut planting bases in Hunan Province, and the disease samples were isolated, purified and cultured using conventional tissue isolation method and PDA and PDB media. The pathogen was identified by morphological observation and fungal rDNA-ITS sequence analysis. The results showed that 2 strains of fungi were isolated from the base of chestnut with chestnut blight, which were preliminarily identified as Cryphonectria parastitic A by morphology. The indoor pathogenicity test showed the same symptoms as the natural disease in the field. PCR was used to amplify the rDNA-ITS gene of pathogenic bacteria, and a 725 bp DNA fragment was obtained. The sequence homology between the strain sequence and the model strain of Castanea mollissima Blight reached 99%. Combining morphological characteristics, sequence analysis and systematic evolution analysis, it is clear that the pathogen causing chestnut blight is chestnut blight. This study provides reference for disease control of chestnut blight in Hunan province.
Keywords Castanea mollissima Blume, Chestnut blight, Isolation and identification, Chestnut blight bacteria
板栗(Castanea mollissima Blume),俗称栗,为壳斗科(Fagaceae)栗属(Castanea)的落叶乔木,除青海、新疆、海南等少数省区外广泛分布于南北各地,在中国有2 500多年的栽培历史。板栗是中国特色干果之一(曾小燕和李志, 2019),享有“干果之王”的佳誉。栗果富含蛋白质、钙、铁、锌等多种维生素,具有优良的药用和养生价值(杨威, 2012; 沈泉, 2014; 邹静等, 2017)。近年来,随着板栗市场需求日益增大,板栗在世界各地的种植面积也不断扩大,病害也越来越多,病害发生程度也越来越严重,其中最为典型的当属栗疫病。根据联合国粮食及农业组织(FAO)统计,中国板栗产量为1.94×106 t (2017a),居世界第一位,约占世界栗果总产量(2.33×106 t)的83%。中国是板栗传统的出口国,而湖南省的立地条件很是适宜板栗的种植,因此成为板栗出口的重要省份之一(陈景震等, 2015)。据湖南农业年鉴统计,湖南省2002年板栗的栽培面积高达8.10×104 hm2 (约110万亩) (李党训等, 2007; 李月玲, 2008; 陈景震等, 2015),总产量已超过6万吨,全省的第2大果品(陈景震等, 2015)。
20世纪80~90年代板栗的急速发展,促使了湖南板栗产业的壮大,但是由于受到传统思想的影响,板栗树多种植在瘠薄的丘陵山地,种植密度过大,良种苗木不能及时推广,导致劣质苗木多(陈景震等, 2015),从而形成了大面积的低产林,也在一定程度上影响了其品质,严重制约了板栗产业健康持续发展。2017~2019年,对湖南省岳阳、郴州、长沙、浏阳、怀化等板栗种植区栗疫病进行了田间调查,普遍发病率为15~30%,严重可达40%以上,是板栗生产中最突出的问题之一。目前,板栗研究主要集中在板栗的果实特性、栗疫病的化学防治等方面,而未有板栗疫病致病性的相关搬到。本试验就湖南省板栗疫病进行了调查,并采集感病植株,对病原菌进行分离与鉴定,以为进一步研究栗疫病的发生规律、防治措施等提供理论依据(李琳等, 2011)。
1结果与分析
1.1板栗栗疫病病害症状
板栗栗疫病主要危害树体的主干和枝干,在主干基角或枝条间隙也可出现溃疡斑,部分一年生小枝上也有发生(张林巧, 2011; 吴兆荣, 2013)。病斑主要位于老龄枝干的向阳面,而阴面或背下发病较轻(王海燕, 2008; 朱远根, 2010)。发病初期,主干颜色逐渐消退,病斑处出现溃疡,之后逐渐扩展蔓延包围树干,并开始向上和向下蔓延(方颖等, 2008; 张士文, 2013)。病斑形成初期,树皮开裂,用小刀刮下树皮,可见红褐色的小斑点,随着病斑的逐渐扩大,斑点连成块,树皮表面呈泡状凸起,内部腐烂,有时会有红褐色的液体流出,并伴随有酒糟味(王海燕, 2008)。
1.2致病性测定分析
用常规组织分离法从病部分离纯化病原菌,多次分离结果均只出现真菌菌物,未出现细菌,表明板栗疫病的病原是真菌。根据真菌形态特征,对分离得到的真菌菌物初步判断为两种不同的菌株,编号F1、F2为代表菌株。将这两种菌株分别回接到板栗幼苗上,观察幼苗的生长情况。结果显示,接种F2菌可使健康的板栗幼苗发病,感染后5~7 d出现明显症状,且病斑症状与田间病斑症状基本相似,从发病的幼苗植株上再次分离,均可得到相同形态特征的F2。相反,接种F1菌的幼苗发病症状较轻,再次分离也可得到相同形态特征的F1。根据柯赫氏法则,表明引起板栗疫病的病原菌为板栗疫病菌。
1.3寄主范围测定
盆栽接种测定结果表明,供试病原菌可侵染锥栗(Castanea henryi (Skan) Rehd. et Wils.)、漆树(Rhus verniciflua stokes)、山核桃(Carya cathayensis Sarg.)等植物,并引起溃疡斑,而不侵染马蹄莲(Zantedeschia aethiopica( L.) Spreng.)、富贵竹(Dracaena sanderiana)等。测定中还发现,病原菌物可侵染狗尾草(Setaria viridis( Linn.) Beauv.)、万年青(Rohdea japonica( Thunb.) Roth)、柑橘(Citrus reticulata Blanco),但不表现病害症状(表1)。说明该病原菌可侵染多种植物,寄主范围较广。
表1 供试菌株的寄主范围测定结果 Table 1 The host range determination results of test strains 注: “+”: 表示发病; “–“: 表示不发病; “–+”: 表示侵染但不表现症状 Note: “+”: indicates having pathogenicity; “–”: indicates no pathogenicity; “–+”: infection but no disease signs |
1.4病原菌的形态特征
病原菌在PDA培养基上培养28 h后,便可见细嫩的白色菌丝,5 d后,菌丝颜色加深,且菌丝较密集(吴群, 2009)。菌落面积38.465~63.585 cm2;分生孢子器大小和形状不同,颜色呈现为橘黄色到黄褐色;分生孢子单孢,无色,扁圆形(王会芳, 2018) (图1)。
图1 板栗感染疫病的症状及供试菌株的形态特征 注: A: 根; B: 枝; C: 弱毒力菌落形态; D: 强毒力菌落形态; E: 菌根; F、G: 菌丝; H: 分生孢子 Figure 1 Symptoms of chestnut infected with epidemic disease and morphological characteristics of test strains Note: A: Root; B: Branches; C: Morphology of weakly virulent colonies; D: Morphology of virulent colonies; E: Mycorrhiza; F, G: Hyphae; H: Conidia |
综上,分离得到的病原菌株形态特征与描述的Cryphonectria parasitica (陈敏玫, 2007)基本相同,可初步判断板栗疫病的病原菌为子囊菌。
1.5病原菌rDNA-ITS序列分析
利用Fungal DNA Mini Kit提取基因组DNA,OD260/OD280为1.8左右,说明所提DNA的浓度和含量较高,可用于后续做PCR。
将菌株的rDNA-ITS序列与GenBank中核酸数据库进行同源性比较,结果表明,该菌株的序列与GenBank中的Cryphonectria parasitica菌株序列(登录号: EF545115.1)的同源性最高,为100% (表2)。
表2 测序结果与GenBank中同源性高的相关序列比较 Table 2 Comparison of sequencing results with related sequences with high homology in genbank |
1.6 GenBank 中同源性高的相关序列聚类分析
简单聚类分析结果表明菌株LY-9与Cryphonectria parasitica同源性较高,而与菌株YL-1同源性较低,推测可能是与该菌株是弱毒性菌株有关,但是并不影响对该菌株的鉴定,该分子鉴定结果与形态学鉴定结果一致(王庆玲, 2017) (图2)。
图2 LY-9聚类分析 Figure 2 Ly-9 cluster analysis |
2讨论
板栗(Castanea mollissima Blume)是一种集药用和食用于一体的优良资源植物,不仅营养成分丰富,Vc含量高,而且矿物质较全面,有养胃健脾、补肾壮腰、强筋活血,止血消肿的多种功效,被誉为“干果之王”。板栗种植面积广,栽培历史悠久,耐修剪,但病虫害较多,在中国各地均有发生,关于其病原特征,表示某些弱毒菌株的菌丝始终保持白色,产孢量少甚至不产孢子。板栗疫病菌的分类地位变化较大,从18世纪初到现在,其命名从Diaporthe parasitica Murr (麻文建, 2015);Endothia parasitica (Murr) Barr et And (Anderson et al., 1912);Endothia属和Cryphonectria属(Barr, 1978),后来Micales等(1997)也证实了栗疫病菌的子座是黑腐皮壳型的,目前,Cryphonectria parasitica(Murr.) Barr是普遍认同的,Cryphonectria parasitica译为寄生隐从赤壳菌(周而勋等, 1999),又称板栗疫病菌。
栗疫病属对内对外检疫对象,是世界上最为著名的森林病害之一,曾在欧洲大肆发病,导致大面积的栗树死亡。华宝松(2004)等研究表明,板栗疫病菌是弱寄生菌,立地条件和管理水平与发病率有关。关于其分子检测的研究,Popov等(2010)分析了土耳北部欧洲板栗疫病菌的信息素前提编码基因序列并设计了两对特异性PCR引物,通过PCR扩增,能从300株经纯化培养的供试真菌中检测出板栗疫病菌,且该检测技术可以检测出不同时期感染板栗疫病菌的植株。Davis等(2005)基于RAPD的显性分析结果设计了11对共显性SCAR标记,用于板栗疫病菌种群生物学研究。
本试验在2017~2018年对湖南板栗种植区对栗疫病的发病现状调查发现,板栗疫病的发病率高达35%以上,主要危害树体的枝干,造成溃疡斑。试验中采用常规组织分离法和形态学观察发现,引起板栗疫病的病原菌是板栗疫病菌,进一步分子水平的序列分析,证明板栗疫病的病原菌为子囊菌,与目前的分类地位一致。据报道,板栗疫病菌还可侵染栎树、栓皮栎、常绿锥栗、欧洲山毛榉等植物(郭世宝, 2005),但目前栗疫病的发生与立地条件的关系,以及相应的防控措施等还有待进一步研究。
3材料与方法
3.1病原菌的分离与培养
2017~2018年从湖南省不同的板栗栽培区采集具有典型栗疫病病症的枝干,用塑封袋分装带回实验室,-4℃保存备用。利用常规的组织分离法对其进行病原菌的分离,分离培养所用的培养基为马铃薯琼脂糖培养基(简称PDA, 马铃薯200 g, 葡糖糖20 g, 琼脂20 g, 蒸馏水1 000 mL, 自然pH) (贾凤娇, 2007; 邵伟, 2009)。28℃的恒温培养箱中培养,待菌落生长一致,选择试管斜面保存法将病原菌保留在-4℃的冰箱中(孙亚莉, 2012; 柳涛, 2014; 刘奕君等, 2017)。
3.2病原菌寄主范围测定
供试植物为锥栗(Castanea henryi (Skan) Rehd. et Wils.)、狗尾草(Setaria viridis (Linn.) Beauv.)、漆树(Rhus verniciflua stokes)、马蹄莲(Zantedeschia aethiopica (L.) Spreng.)、万年青(Rohdea japonica (Thunb.) Roth)、山核桃(Carya cathayensis Sarg.)、木瓜(Chaenomeles sinensis (Thouin) Koehne)、柑橘(Citrus reticulata Blanco)、富贵竹(Dracaena sanderiana)等9科9种植物。
选取健康无病的供试植物,在无菌条件下,将其移植于装有灭菌营养土的圆盆钵(160 mm× 220 mm)中常规管理。接种时,用大头针分别刺伤叶子和苗茎基部,用5 mm的打孔器选取PDA培养基上的菌丝块,接种于伤口处(李琳等, 2011; 张美鑫, 2014)。用无菌水湿棉球保湿,接种无菌水为对照,室温下保湿培养,每日观察并记录发病情况,待发病后从病部再次分离病原菌(朱桂宁等, 2007; 李琳等, 2011; 严玉宇等, 2011)。
3.3病原菌的形态观察
将上述分离得到的病原菌菌株在PDA平板上28℃下培养5 d后,用5 mm的打孔器在菌落边沿取菌丝块接种在PDA平板的中间处(王兰等, 2004; 唐贵群等, 2005)。每个处理3个重复,28℃恒温培养箱中培养5 d,期间每天观察并记录菌落的颜色,大小,产孢量等形态特征(孙红梅, 2013; 周娟, 2017; 乔镜澄等, 2017)。在体式显微镜下观察菌丝、分生孢子器、分生孢子的形态特征(刘长远等, 1999)。
3.4 rDNA-ITS序列分析及系统发育树的构建
将供试菌株接种于PDB (马铃薯200 g, 葡萄糖20 g , 蒸馏水1000 mL, 自然pH值)液体培养基中(芦光新等, 2014; 苏雪梅, 2015)。于28℃下恒温培养振荡器中培养5 d,用纱布过滤,无菌水冲洗3次后收集菌丝。采用广州飞扬生物工程有限公司生产Fungal DNA Mini Kit说明书提取菌丝基因组DNA。所提基因组 DNA 在紫外分光光度计下检测浓度后,-20℃冰箱中保存备用。
采取真菌通用引物ITS1/ITS4(黄姝等, 2015)扩增病菌rDNA的ITS片段,引物序列为:ITS1 (5ˊ-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3ˊ)和ITS4(5ˊ-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3ˊ)。PCR反应体系:总体积为25 μL,其中2 x Taq PCR Master Mix12.5 μL,10 μmo1/ L的引物ITS1/ ITS4各0.8 μL,DNA提取液1 μL,加灭菌双蒸水补足至25 μL。以ddH2O代替模板DNA设置阴性对照。PCR扩增程序:94°C预变性4 min; 94°C变性40 s, 55°C退火30 s,72°C延伸40 s,共35个循环;72°C延伸7 min。取5 μL PCR产物在1%琼脂糖凝胶中电泳,200 V电泳30 min,在凝胶成像系统上拍照并观察(崔胜男, 2010)。PCR产物纯化和测序由上海生工生物工程有限公司完成。
将菌株测定的rDNA-ITS序列在NCBI网站上用BLAST软件进行同源性比对,下载同属异种GenBank的ITS序列(张艳峰, 2011),用DNAMAN软件保存所有待分析的序列,用MEGA5.05软件将病原菌rDNA-ITS序列与下载的同源序列进行比对(于占晶, 2009),并用邻接法(neighbor-joining, NJ) (Tamura et al., 2007)构建系统发育树,使用自举法(bootstrap) (Singh and Xie, 2010)进行检验。
作者贡献
丰雪春是本研究的试验设计者和执行人,撰写论文;陈建华参与试验结果的分析;李培旺和蒋丽娟完成试验的调查及部分数据分析;周宵参与试验研究;陈景震是项目的构思着,知道实验设计、数据分析、论文写作与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。
致谢
本研究由本研究由中央财政林业推广项目“南方优质板栗良种推广与示范”(2016XT007)和湖南省科技重大专项“大宗木本油料全资源高值化分级利用技术及产品”(2016NK1001)、长沙市科技计划重点项目“南方优质板栗新品种选育及示范”(k1307143-21)共同资助。
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