青稞(
Hordeum vulgare L.var
.nudum Hook.f.)也称之为裸大麦,是我国青藏高原地区人民的主要粮食作物,也是在海拔4200 m以上的高寒地区唯一能正常成熟的作物
[1]。在西藏、青海等地的种植面积约27万hm
2,其中西藏的种植面积占总面积的53%以上,占西藏自治区粮食种植面积的70%以上
[2]。此外,在医疗上青稞可有效预防高血脂、糖尿病、动脉硬化等疾病
[3]。调查发现,由麦类核腔菌(
P.graminea)引起的青稞条纹病,可导致青稞年均产量损失10%左右,严重时可达25%
[4];由平脐蠕孢菌(
B.sorokiniana)引起的小麦根腐病,可导致小麦每年造成的粮食损失占小麦总产量的10%以上
[5];由禾谷镰刀菌(
F.graminearum)引起小麦赤霉病,该病害大流行时可导致减产10%~40%,中度流行时可导致减产5%~15%
[6]。目前对这3种病害常见的防治方法有选育抗病品种
[7-9]和化学药剂处理
[10-12],但选育抗病品种周期长、成本高,而化学药剂处理又会对环境造成危害。在多种限制因素的影响下,利用对植物病原菌具有拮抗作用的真菌、细菌和放线菌等微生物进行病害防控,是农作物病害防治的一条绿色出路。因此,寻求具有拮抗能力的微生物,不仅能减少化学药剂的使用,还能提供一种环保、可持续的解决方案,提高农作物的产量和质量,保障农作物产业的健康发展。
植物内生真菌是指生活史的全部或部分阶段存在于植物组织内部,且不会引起植物发生明显病害症状的微生物,其种类繁多,几乎所有存活的植物体内都有内生菌的存在
[13]。研究表明,植物内生真菌可通过竞争生存空间
[14]、降解细胞壁
[15]、破坏细胞完整性
[16]等方式抑制病原菌的生长,进而达到抑菌作用。此外,杨镇等
[17]研究发现植物内生菌还能通过固氮、溶磷、解钾、产生铁载体及分泌生长激素等方式提升植物对氮及部分微量元素的吸收利用效率,增强植物抗逆性与抗病能力,改善植物对营养成分的吸收,促进植物生长激素的合成。王生萍等
[18]从青稞种子中筛选获得2株拮抗促生菌F2和F3,两者对
B.sorokiniana的抑制率分别为34%和30%,对青稞株高的促生效果达26%和64%。张富美等
[19]从蓝莓织中分离获得2株均能分泌葡聚糖酶、纤维素酶和蛋白酶的内生拮抗真菌G18和MG6。因此,植物内生菌是筛选拮抗植物病原微生物的重要来源。目前青稞微生物研究主要集中于青稞种子内生菌
[20]、根际溶磷真菌
[21]和叶际拮抗菌
[22]等方面,但针对青稞根部内生菌的研究却鲜有报道,所以其内生菌资源还有待持续挖掘。
由于青藏高原地区海拔高、气候寒冷、土壤贫瘠等极端条件,因此存在于青稞内部的微生物具有较强的适应性和潜在的功能特异性。本研究采用组织分离法,从西藏昌都和那曲地区种植的抽穗期青稞根部分离、筛选获得对3种病原菌拮抗效果良好的内生真菌,探索其促生特性并通过盆栽试验进行验证,结合形态学和分子生物学确定其分类地位,以期为筛选拮抗这3种病原菌的生防菌提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 样本采集
样本于2024年7月采自西藏自治区那曲市索县(3967 m,东经94°36'39.56",北纬31°38'21.33")和昌都市丁青县(3596 m,东经95°53'36.35",北纬31°15'20.63")。采用五点取样法,选取健康的青稞植株,先用铁锹将根部挖出,然后用无菌剪刀从茎部剪断并装入无菌采样袋中,最后放入4 ℃车载冰箱中保存。
1.1.2 供试病原菌
供试病原菌为青稞条纹病菌(P.graminea)、小麦根腐病菌(B.sorokiniana)和小麦赤霉病菌(F.graminearum),以上菌株均由西藏农牧大学植物病理实验室提供。试验前将病原菌接种至PDA固体培养基,28 ℃恒温培养5 d后备用。
1.1.3 培养基与试剂
孟加拉红(RBM)培养基、高盐察氏(SCDA)培养基购自广东环凯微生物科技有限公司;麦芽浸粉(MEA)培养基购自青岛高科技工业园海博生物技术有限公司;1/4 PDA培养基是由购自奥克欧德有限公司的PDA培养基按1/4取量后配制而成;PDA培养基:去皮土豆200 g,葡萄糖20 g,琼脂18 g,蒸馏水1000 mL。Salkowski显色液的配制参考文献
[23],将硫酸铁替换为氯化铁。
1.2 方法
1.2.1 青稞根部内生真菌的分离纯化
将采集的青稞样本用自来水冲洗干净并晾干表面水分后,用剪刀将其剪成长约1 cm的小段,称取2 g根段,在超净工作台中进行严格的表面消毒,具体流程为:首先在75%乙醇中浸泡30 s,随后用无菌水冲洗2次,接着转入3%次氯酸钠溶液中浸泡3 min以进行彻底消毒,最后用无菌水振荡清洗4次,每次持续1 min。最后一次清洗水用移液枪取100 μL涂布于PDA平板上做空白对照,28℃培养48 h,若平板上无菌落生长,表明表面消毒彻底。将消毒后的根段用无菌镊子分别转移至1/4 PDA、RBM、MEA和SCDA平板上,每个平板放置5个小段、重复3次。平板封口后置于28 ℃培养箱中培养2~5 d,根据菌落形态(颜色、大小、边缘特征)挑取不同类型的菌株接种于PDA平板上纯化培养后于4 ℃冰箱保存备用(保存期不超过1个月,每月转接1次),同时制备20%甘油管于-80 ℃长期保存。
1.2.2 青稞根部内生拮抗菌筛选
内生真菌的拮抗活性通过平板对峙培养法进行评估。将活化的病原菌用无菌打孔器在菌落边缘打取直径为4 mm的菌饼,然后用无菌竹签转移至PDA平板中央,在距离平板中央20 mm的左右两侧,接种直径同样为4 mm的待测内生真菌菌饼。以仅接种病原菌的PDA平板作为对照,重复3次,28 ℃培养7 d后测量菌落直径并计算抑制率,公式如下:
抑制率(%)=(对照组菌落直径-处理组菌落直径)/(对照组菌落直径-菌饼直径)×100
[24]。
1.2.3 内生拮抗菌无菌发酵滤液抑菌测定
发酵液制备:将内生真菌打取5个直径为4 mm的菌饼接种于150 mL PDA液体培养液中,置于震荡培养箱上28 ℃、180 r/min培养5 d后获得发酵液备用。
采用混菌平板法
[25]测定无菌发酵滤液的拮抗效果。各菌株发酵液经10 000 r/min离心10 min后收集所得上清液,经孔径为0.22 μm的一次性微孔滤膜过滤后获得无菌发酵滤液。将无菌发酵滤液与PDA培养基按体积比1∶5充分混合后制成平板,待平板冷却后将病原菌菌饼接种于含无菌发酵滤液的PDA平板中央,以在不含无菌发酵滤液的PDA平板中央接种病原菌作为对照,重复3次,平板于28 ℃条件下培养7 d后测量菌落直径并计算抑制率。
1.2.4 内生拮抗菌挥发性物质抑菌测定
采用双皿对扣培养法
[26]测定挥发性物质的拮抗效果。将内生真菌和3种病原菌分别打取直径为4 mm的菌饼并转移至PDA平板中央,然后将只接种了一个病原菌菌饼的PDA平板倒扣在只接种了一个内生真菌菌饼的PDA平板上方,以在下方PDA平板接种空白PDA圆饼作为对照处理,重复3次,平板于28 ℃条件下培养7 d后测量菌落直径并计算抑制率。
1.2.5 内生拮抗菌产胞外酶测定
采用平板检测法定性检测内生真菌产胞外酶特性。纤维素酶、蛋白酶和葡聚糖酶检测培养基的配制参考文献
[27],淀粉酶和果胶酶检测培养基的配制参考文献
[28]。打取内生真菌菌饼接种于各检测平板上,于28 ℃恒温培养3 d后观察检测结果。纤维素酶和果胶酶检测平板先用1 g/L刚果红染色20 min,然后用58.44 g/L氯化钠脱色15 min,若观察到菌落周围产生透明圈,则表明菌株具有分泌纤维素酶和果胶酶的能力;葡聚糖酶和蛋白酶检测平板,若观察到产生透明圈则表明菌株具有分泌葡聚糖酶和蛋白酶的能力;淀粉酶检测平板用碘液染色3 min后观察颜色变化,若在菌落周围产生透明圈,则表明菌株具有分泌淀粉酶的能力。
1.2.6 固氮、溶解无机磷、解钾和产铁载体能力测定
采用阿须贝(Ashby)氏固体培养基
[29]、无机磷固体培养基
[30]、钾长石固体培养基
[31]和CAS固体培养基
[32]检测菌株固氮、溶解无机磷、解钾和产铁载体的能力。
1.2.7 合成IAA能力测定
定性测定:参考吴晓东等
[33]的方法,打取2个直径为4 mm的内生真菌菌饼,接种于100 mL PDA(含0.2 g/L色氨酸)液体培养液中,振荡培养箱上28 ℃、180 r/min培养5d后经10 000 r/min离心5 min获得上清液。以10 mg/L IAA标准液为阳性对照、以未接菌的PDA液体培养液(含0.2 g/L色氨酸)为阴性对照,取离心上清液于离心管中并加入等量的Salkowski显色液进行显色反应,置于室温避光条件下30 min,若颜色变为红色,则表示菌株具有合成IAA的能力。
定量测定:配制浓度依次为0、1、5、10、15和20 mg/L的标准液并按体积1∶1与Salkowski显色液混合,置于室温避光条件下30 min,以蒸馏水为空白对照,测其530 nm处的吸光值,测得标准曲线回归方程为y=0.034 7x+0.018 5,相关系数R2=0.996 3。取定性测定中显色菌株的上清液按照相同的方法进行显色反应后,测量其530 nm处吸光值,依据标准曲线计算菌株IAA产量。
1.2.8 内生拮抗促生菌对青稞幼苗生长的影响
参考杨明国等
[34]的方法进行平皿种子发芽率测定。按1.2.3制备菌悬液,然后用无菌双层纱布过滤获得孢子悬液,并用血球计数板调整为1×10
6 CFU/mL备用。挑选颗粒饱满、大小一致、外表无损伤的青稞种子,表面消毒
[35]后浸泡于孢子悬液中,于28 ℃、180 r/min的条件下处理12 h,以相同条件下用无菌水浸种为对照处理,种子取出后转移至铺有双层无菌滤纸的无菌培养皿中,每皿20粒种子,重复3次,28 ℃培养箱中放置4 d后计算种子发芽率。同时,将与对照组相同处理的发芽种子,挑选芽长基本一致的种子按照每盆5株种植于装有等量灭菌土的花盆中,栽培10 d后按照每株幼苗每次10 mL孢子悬液进行第一次灌根,之后每间隔7 d进行第二次和第三次灌根,第三次灌根完成间隔7天以后测定幼苗的根长、株高、鲜重和干重等,
发芽率(%)=(总发芽种子数/种子总数)×100。
1.2.9 内生拮抗促生菌形态鉴定
将筛选出的菌株接种于PDA平板上28 ℃培养7 d后观察菌落形态特征。采用插片法
[36]观察菌株显微形态并选取具有典型特征的视野进行拍照记录。
1.2.10 分子生物学鉴定
对菌株进行ITS和
tef1序列扩增,ITS采用引物为ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATG C-3')和ITS5(5'-GGAAGTAAAAGTCGTAAC AAGG-3')、
tef1采用引物为EF1-728F(5'-CAT CGAGAAGTTCGAGAAGG-3')和EF1-986R(5'-TACTTGAAGGAACCCTTACC-3')
[37]。将筛选出的菌株送至北京睿博兴科生物技术有限公司进行PCR扩增和测序,测序返回的ITS和
tef1序列分别提交至NCBI中进行BLAST比对,采用MEGA11软件通过邻接法(Neighbor-Joining,NJ)构建系统发育树,并采用Bootstrap法进行1000次重复检验各分支的支持率,进而确定菌株的分类地位
[38]。
2 结果与分析
2.1 青稞根部内生真菌的分离纯化
通过对来自2个不同采样地的健康青稞样本进行内生真菌分离,共计分离获得93株内生真菌,其中从那曲市索县的样本中分离获得30株、昌都市丁青县的样本中分离获得63株。不同培养基分离纯化后获得的菌株数量差异较明显,依次为RBM>MEA>1/4PDA>SCDA培养基,分别获得30、28、18和17株菌。
2.2 青稞根部内生拮抗菌筛选
将分离得到的内生真菌与供试病原菌进行平板对峙试验。结果表明,有4株内生真菌对3种病原菌的抑制率均高于65%,分别为SXM7、DQH19、DQP10、和DQY1(
表1)。这4株内生真菌对
P.graminea的抑制率为77.35%~84.22%,其中菌株DQH19抑制率最高(
图1c);对
B.sorokiniana的抑制率为69.10%~73.64%,其中菌株DQP10抑制率最高(
图1i);对
F.graminearum的抑制率为71.78%~77.86%,其中菌株DQY1的抑制率最高(
图1o)。
2.3 内生拮抗菌抑菌活性测定
2.3.1 内生拮抗菌无菌发酵滤液抑菌测定
为验证内生真菌的次生代谢产物是否对病原菌具有拮抗作用,测定了内生真菌无菌发酵滤液对3种病原菌的抑制率(
表2)。结果表明,这4株内生真菌无菌发酵滤液对
P.graminea的抑制率为6.12%~85.29%,其中菌株SXM7抑制率最高(
图2b);对
B.sorokiniana的抑制率为17.91%~72.14%,其中菌株DQP10抑制率最高(
图2i);对
F.graminearum的抑制率为6.90%~44.58%,其中菌株DQY1抑制率最高(
图2o)。
2.3.2 内生拮抗菌挥发性物质抑菌测定
为验证内生真菌的挥发性物质是否对病原菌具有拮抗作用,测定了内生真菌挥发性物质对3种病原菌的抑制率(
表3)。结果表明,这4株内生真菌挥发性物质对
P.graminea的抑制率为36.23%~60.92%,其中菌株DQH19的抑制率最高(
图3c);对
B.sorokiniana的抑制率为55.75%~65.74%,其中菌株DQH19的抑制率最高(
图3h);对
F.graminearum的抑制率为7.92%~13.27%,其中菌株DQY1的抑制率最高(
图3o),但菌株SXM7和DQH19对该病原菌没有拮抗作用。
2.4 内生拮抗菌产胞外酶测定
为探索内生真菌的抑菌机制,对内生真菌进行了产胞外酶检测(
图4)。结果表明,筛选到的4株内生真菌均能分泌葡聚糖酶和纤维素酶,此外菌株DQY1还具有分泌果胶酶的能力、菌株DQP10还具有分泌淀粉酶和蛋白酶的能力、菌株SXM7还具有分泌果胶酶和淀粉酶的能力、菌株DQH19还具有分泌果胶酶、淀粉酶和蛋白酶的能力。
2.5 内生拮抗菌促生作用测定
2.5.1 内生拮抗菌促生特性测定
为探索内生真菌的促生机制,对菌株固氮、溶解无机磷、解钾、产铁载体和合成IAA的能力进行了测定。平板检测结果表明,4株菌均具有固氮、解钾和产铁载体的能力(
图5),其中菌株DQP10还具有溶解无机磷的能力。显色反应结果表明,4株菌均具有合成IAA的能力(
图6),定量测定分析得出株菌SXM7、DQH19、DQP10和DQY1的IAA含量分别为2.67 mg/L、11.56 mg/L、1.36 mg/L和5.61 mg/L,由此可知菌株DQH19合成IAA的能力最强。
2.5.2 内生拮抗促生菌对青稞幼苗生长的影响
为验证4株内生真菌的促生特性对青稞种子发芽率和幼苗生长影响进行测定。结果表明,这4株在青稞幼苗期盆栽试验的短期观察内,接种处理未表现出明显的致病表型,且表现出不同程度的促进潜力(
表4和
图7)。菌株DQH19处理后种子发芽率、株高和生物量积累均显著高于CK(无菌水),分别提高了23.68%、16.71%和32.65%;菌株SXM7和DQY1处理后青稞幼苗的根长和株高显著高于CK(无菌水),分别提高了9.88%和14.88%、12.84%和18.65%。其中菌株SXM7和DQY1对根长的促进作用在两者间无显著差异;菌株SXM7、DQH19和DQY1对株高的促进作用在三者间无显著差异,但菌株DQY1的对根长和株高的促进作用更强。综上,对种子发芽率和生物量积累促进效果最好的是菌株DQH19,对根长和株高促进效果最好的是菌株DQY1。
2.6 内生拮抗促生菌鉴定
2.6.1 形态鉴定
4株内生拮抗促生真菌在PDA培养基上28 ℃培养7 d后的菌落和微观形态特征如
图8所示,菌株SXM7菌落正面呈米白色、背面呈淡黄色,菌丝絮状、分枝生长,分生孢子长椭圆状、无隔膜;菌株DQH19菌落前期为白色,随着培养时间的加长,菌落正面中央呈黄色边缘菌丝为粉色、背面呈红棕色,菌丝絮状、分枝生长,分生孢子呈长椭圆或纺锤状;菌株DQP10菌落前期为白色,随着培养时间的加长,菌落正面中央呈黄色边缘菌丝为白色、背面中央呈红色边缘为白色,菌丝絮状、分枝生长,分生孢子呈椭圆形;菌株DQY1菌落正面和背面颜色都为白色,菌丝絮状、分枝生长,分生孢子呈椭圆形。
2.6.2 分子生物学鉴定
将各菌株测序结果放入NCBI进行BLAST同源性比对分析并构建系统发育树,结果显示,菌株SXM7与F.avenaceum MDJ-5-4G以100%的支持率聚为一支、DQH19与Fusarium acuminatum DY2-1以100%的支持率聚为一支、DQP10与Fusarium gamsii KG390以99%的支持率聚为一支、DQY1与Fusarium equiseti DX-6-3以97%的支持率聚为一支。结合形态特征,将菌株SXM7、DQH19、DQP10和DQY1分别鉴定为F.avenaceum、F.acuminatum、F.gamsii和F.equiseti。
3 讨论
内生菌物种丰富,主要包括真菌、细菌和放线菌三大类,为生物农药、肥料的开发提供了巨大的资源库
[39]。本研究聚焦青稞根部这一内生菌研究薄弱区域,通过多培养基分离、多维度抑菌验证及多指标鉴定,系统挖掘青稞根部内生拮抗促生菌资源,其结果需结合现有研究进一步分析科学价值与应用潜力。通过平板对峙培养法评价93株内生真菌对3种病原菌的抑制率,最终获得4株对3种病原菌的抑制率均高于65%的拮抗菌,与王生萍等
[18]筛选的拮抗菌相比,本研究筛选的拮抗菌对
B.sorokiniana的抑制率更好。经鉴定菌株SXM7、DQH19、DQP10和DQY1分别为
F.avenaceum、
F.acuminatum 、
F.gamsii和
F.equiseti。
镰刀菌通常可引起禾谷类作物(尤其是小麦和大麦)根腐病和小麦赤霉病
[40],但近年来已有研究表明,非致病性镰刀菌可作为生防菌防治植物病害。汪健康等
[41]发现内生砖红镰刀菌(
F.lateritium)可增强对马铃薯晚疫病的抗性;王一冬等人
[42]发现内生腐皮镰刀菌(
F.solani)和尖孢镰刀菌(
F.oxysporum)对葡萄灰霉病菌具有拮抗作用。本研究中筛选鉴定的4株内生镰刀菌,不仅具有拮抗作用,还具有促进植株生长的作用。
目前有关植物内生真菌代谢产物的抑菌研究逐渐增加,且代谢产物对不同病原菌的抑菌效果和作用方式不同。在无菌发酵滤液抑菌试验中,菌株SXM7对
P.graminea的抑制率最高(85.29%)、DQP10对
B.sorokiniana的抑制率最高(72.14%)、DQY1对
F.graminearum的抑制率最高(44.58%),这与胡梦圆等
[43]研究发现的“内生球毛壳菌Chaetomium globosum通过发酵液代谢产物抑菌”结果相符;在挥发性物质抑菌试验中,菌株DQH19对
P.graminea和
B.sorokiniana的抑制率最高(分别为60.92%和65.74%)、DQY1对
F.graminearum的抑制率最高(13.27%),这与田淼等
[44]研究发现的“内生非洲哈茨木霉(
Trichoderma afroharzianum)通过产生的挥发性物质抑菌”结果相符。胞外酶是协助拮抗菌抑制病原菌生长的关键因子,本研究中4株菌均能分泌葡聚糖酶和纤维素酶,其中菌株DQY1具有分泌果胶酶的能力、DQP10具有分泌淀粉酶和蛋白酶的能力、SXM7具有分泌果胶酶和淀粉酶的能力、DQH19具有分泌果胶酶、淀粉酶和蛋白酶的能力,这与谷玉锌等
[45]报道的“不同菌株产生胞外酶的类型、数量和活性存在差异”结果相符。此外,这4株菌还具有固氮、解钾、产铁载体和合成IAA的能力,且室内盆栽试验验证了菌株的促生能力。需注意的是,本研究仍存在局限:一是仅通过室内平板试验验证抑菌效果,缺乏田间小区试验数据,无法评估菌株在自然环境中的定殖能力与防效稳定性;二是未对抑菌活性物质(水溶性、挥发性)进行分离与结构鉴定,无法明确核心抑菌成分;三是虽有室内盆栽促生潜力探索,但缺乏田间促生试验数据,未能全面挖掘其“防病+促生”的综合价值。未来研究可围绕上述方向展开,如通过HPLC-MS鉴定活性成分、荧光标记监测田间定殖,进一步推动菌株的产业化应用。
4 结论
本研究从青稞根部筛选得到F.avenaceum、F.acuminatum、F.gamsii和F.equiseti 4株内生拮抗促生菌,通过分泌水溶性抗菌物质、挥发性抑菌物质及5种胞外酶协同作用实现对P.graminea、B.sorokiniana、F.graminearum 3种病原菌的抑制作用。综合评价显示,菌株DQY1(F.equiseti)不仅对3种目标病原菌具有良好的抑制效果,还兼具显著的促生效能,可以形成“防病+促生”的双重增益效应。研究结果不仅丰富了作物病害生物防治的菌株资源库,也为开发兼具防病与促生功能的绿色生物制剂提供了理论依据与技术支撑。
国家自然科学基金(31960002)
西藏自治区重点研发计划项目(XZ202201ZY0011N)