远志(
Polygala tenuifolia)为远志科远志属的宿根性草本植物,以根入药,其所含的皂苷
[1]、寡糖脂
[2]、黄酮
[3]等有效成分,可以抑制炎症反应、阻断癌细胞增殖,特别是在中枢神经系统方面表现突出,有抗痴呆
[4]、抗抑郁
[5]及脑保护作用
[6]。我国远志的主产区在山西和陕西,主要是山西,因其产量大质量优,被称为道地产区
[7],其产量占我国市场产量的80%以上。
近年来,远志病害频发,导致发病面积及严重程度逐年上升,限制了远志的种植规模和质量。根腐病是中药材种植过程中所面临的一种防治难度大且损失较为严重的病害,尤其是对根茎类药材生产影响最大,严重制约中药材种植产业的发展
[8]。根类药材根腐病的研究主要集中在发病特征
[9]、病原菌的种类及特性
[10]、发病的诱因
[11]以及防治策略
[12]等方面。根腐病发生初期,个别侧根和须根先变色腐烂,随后主根逐渐出现病变,最终导致全根腐烂。致病菌主要以真菌为主,其中,镰孢属种类最多,茄腐镰孢和尖孢镰孢的寄主范围最广,可引起当归、三七、黄连等10多种药材的根腐病
[10]。生物学特性的研究在于筛选致病菌菌丝生长和产孢的最适培养基种类、温度、pH、光照等方面
[11]。根腐病的防治方法主要包括农业管理措施、生物防治、化学防治和综合辅助管理措施等
[12]。农业措施主要采取轮作,如党参与小麦、玉米等禾本科作物轮作
[13]、柴胡—玉米轮作
[14]、半夏与小麦轮作
[15]。化学防治研究表明,甲霜恶霉灵对沙氏鹿茸草根腐病的致病菌多以普通镰孢(
Fusarium commune)的抑制效果较好
[16],硅唑·咪鲜胺和咯菌腈对蒙古黄芪根腐病的4种致病菌腐皮镰孢(
F. soani)、逗号镰孢(
F. virguliforme)、木贼镰孢(
F. equiseti)和锐顶镰孢(
F. acuminatum)具有不同程度的抑制作用
[12]。生物防治的研究证实,枯草芽孢杆菌(
Bacillus subtilis)和贝莱斯芽孢杆菌(
B. velezensis)对北苍术根腐病具有防治作用
[18];桃色顶孢霉(
Acremonium persicinum)对木贼镰孢有较好的拮抗作用
[19]。
刘佳等
[20]在山西远志主产区田间调查过程中,发现远志根腐病危害程度严重,为此,本研究对远志腐烂病进行病原菌的分离纯化并确定其分类地位,确定生物学特性,评估化学药剂的防治效果。旨在为远志根腐病的有效防治提供科学依据,减少病害的发生,从而为远志的品质和产量提供保障。
1 材料和方法
1.1 病样采集
于山西省新绛县阳王镇远志种植基地采集具有典型发病症状的病株,带回实验室进行后续研究。
1.2 病原菌的分离与纯化
采用组织分离法分离病原菌,在超净工作台上切取病健交界处2 mm×2 mm组织块,浸泡在75%(V/V)乙醇溶液中10 s,取出用无菌水冲洗3次,然后放入5%(V/V)的NaClO溶液中消毒3 min,取出用无菌水冲洗3次,晾干后,置于PDA培养基上,在28 ℃下培养5 d后,挑取少许菌落边缘的菌丝移至新的PDA培养基上,按上述条件进行纯化培养。
1.3 病原菌的致病性测定
根据柯赫氏法则进行致病性测定。采用离体根部刺伤接种法,选取健康无病的远志植株,截取3 cm长的根段,用灭菌针浅刺根部,将培养的病原菌打成直径为5 mm的菌饼,菌丝面朝下紧紧贴附到刺伤部位;未刺伤、未接种、仅放置无菌湿滤纸为空白对照,3次重复。将根段置于培养皿内,接种部位悬空,置于28 ℃下黑暗的恒温培养箱中保湿培养。每天观察发病状况,待接种部位出现典型症状后,按1.2操作对病原菌再次进行分离纯化。
1.4 病原菌形态学观察鉴定
将培养的菌株接种于PDA培养基上,在28 ℃下培养7 d,观察病原菌菌落的大小、颜色、形态特征。待产生孢子后,在光学显微镜下观察孢子的结构及分生孢子的形状,随机选取50个成熟、完整、无畸形的分生孢子测量其大小。根据其特点,参照STAMPS
[21]和HAWKSWORTH等
[22]的方法以及《常见镰刀菌鉴定指南》
[23]进行初步鉴定。
1.5 病原菌分子生物学鉴定
用真菌Ezup柱式抽提试剂盒提取基因组DNA,分别扩增
ITS和
EF-1α序列,扩增引物为ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3')、ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')、EF-1H(5'-ATGGGTAAGGAAGACAAGAC-3')、EF-2T(5'-GGAAGTACCAGTGATCATGTT-3')
[24]。采用1.0%琼脂糖凝胶电泳检测。PCR反应程序为95 ℃预变性5 min;94 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 50 s,35个循环;72 ℃延伸8 min。用SanPrep柱式PCR产物纯化试剂盒对PCR产物进行纯化、回收后,送生工生物工程(上海)股份有限公司测序。将获得的序列在NCBI(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov)进行BLAST比对,并下载同源序列,使用MEGA 6.0(
www.megasoftware.net)邻接法(Neighbor-joining method,NJ),运行1 000次Bootstrap验证,多基因合并构建系统发育树,结合菌株形态生物学特征,确定菌株的系统分类地位。
1.6 远志根腐病病原菌的生物学特性测定
1.6.1 温度对病原菌菌丝生长的影响
将培养的病原菌接种于PDA培养基上,培养3 d后,用5 mm的打孔器打取菌饼,设置10、15、20、25、30、35、40 ℃共7个不同温度处理
[25],置于恒温培养箱中培养5 d,用十字交叉法测量菌落直径(以下处理测量方法相同),每个处理3次重复。
1.6.2 pH对病原菌菌丝生长的影响
用1 mol/L HCl溶液和1 mol/L NaOH溶液调节PDA培养基pH值范围为4~11,将5 mm菌饼菌丝面朝下接种到平板中央,置于恒温培养箱中28 ℃培养5 d,每个处理3次重复。
1.6.3 碳源对病原菌菌丝生长的影响
以蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖、可溶性淀粉和甘露醇6种不同的碳源等量代替基础培养基中的碳源,以无碳源为对照,配置不同培养基,将5 mm菌饼接种到平板中央,置于恒温培养箱中28 ℃培养5 d,每个处理3次重复。
1.6.4 氮源对病原菌菌丝生长的影响
以硝酸钠、磷酸氢二铵、氯化铵、甘氨酸、酵母浸粉、蛋白胨共6种不同的氮源等量代替基础培养基中的氮源,以无氮源培养基为对照,配置不同培养基,将5 mm菌饼接种到平板中央,置于恒温培养箱中28 ℃培养5 d,每个处理3次重复。
1.6.5 不同光照对病原菌菌丝生长的影响
设置黑暗、光照、12 h光照/12 h黑暗共3种光照处理,将5 mm菌饼接种到PDA平板中央,置于恒温培养箱中28 ℃培养培养5 d,每个处理3次重复。
1.7 室内防治药剂筛选
制备PDA培养基。待溶化的培养基温度降到40 ℃左右时,与病原菌菌株M9菌悬液(PDB恒温震荡培养72 h,OD
600=1)以10∶1(
V/
V)的比例混合均匀。根据7种杀菌剂(
表1)的推荐使用浓度进行预试验后,分别配制3个不同质量浓度梯度备用。将直径为5 mm的灭菌滤纸片置于培养基(直径为90 mm)中央,取5 μL药剂滴于纸碟上,28 ℃倒置培养5 d后,采用十字交叉法测量抑菌圈直径,每个处理3次重复。采用SPSS 24.0统计分析软件(美国IBM公司)构建各供试药剂对供试菌株的毒力回归方程,计算相关系数及有效中浓度EC
50值,依据EC
50值比较不同药剂的抑菌活性差异。
1.8 数据分析
采用Excel 2019软件进行数据整理和图表绘制,使用SPSS 20.0进行显著性分析。
2 结果与分析
2.1 田间根腐病特征
田间观察远志植株根部患病表型(
图1),根茎连接处的组织失水软缩逐渐变黑,地上部分叶片干枯发黄,逐渐脱落;地下部分根部腐烂先发红再发黑腐烂,须根萎蔫掉落,根部的韧皮部与木质脱离,韧皮部掉落,木质裸露甚至变黑。
2.2 根腐病病原菌的形态学特征及分子生物学鉴定
菌株M9形态特征如
图2所示,培养初期,菌落呈浅黄色;随着培养时间延长,菌丝体逐渐发育成熟并在中部区域大量积累色素,形成紫红色的成熟区;外围浅黄色区域则为菌丝旺盛生长的新生区。培养7 d,菌落呈现清晰的同心环带,中心为白色孢子团,外围为紫红色的成熟菌丝区,最外围是浅黄色的生长区,10 d后全部菌丝全部发育成熟呈现紫红色。
将PCR扩增产物测序所得的
ITS和
EF-1α序列信息提交至GenBank数据库,获得登录号分别为PQ538565、PQ602270。将2种基因序列拼接,由BLAST同源性比对构建系统发育树结果可知(
图3),此M9菌株与锐顶镰孢(
Fusarium acuminatum)聚在同一分支上,自展值为100。结合形态学鉴定结果,确定远志根腐病病原菌为锐顶镰孢(
F. acuminatum)。
2.3 病原菌生物学特性
2.3.1 不同温度、pH对病原菌菌丝生长的影响
从
图4可以看出,在10~40 ℃的温度范围内,菌株M9随着温度的升高,菌落直径先扩大后缩小。25 ℃时,直径为7.73 cm,达到了最大值,与其他处理间差异显著(
P<0.05);高于25 ℃,菌丝生长受到抑制;30~40 ℃时,生长速率减缓且越来越慢。菌丝在20~30 ℃时菌落直径均大于6.5 cm,生长良好,因此,确定菌株M9生长最适温度为25 ℃。
由
图4可知,菌株M9在pH值为4~8时,随着环境酸性逐渐减弱,菌落直径逐渐增大;当pH值为8时,菌落生长速度最快,直径达到了8.47 cm,与其他处理间差异显著(
P<0.05)。当pH值>9时,碱性持续增强,菌落生长速率明显减缓。该菌株在pH值为6~9时菌落直径均大于6.5 cm,生长良好,因此,确定菌株M9生长最适pH值为8。
2.3.2 不同碳源、氮源对病原菌菌丝生长的影响
碳源筛选试验结果(
图5)显示,可溶性淀粉培养基中菌株M9生长速率最快,菌落直径达到了8.25 cm,与其他处理差异显著(
P<0.05),葡萄糖、蔗糖次之。乳糖培养基中生长速率最慢,菌落直径仅5.35 cm,生长效果甚至低于无碳对照组。因此,可溶性淀粉为最适碳源。
氮源筛选试验结果显示(
图5),菌株M9在磷酸氢二铵为氮源的培养基中生长最快,菌落直径达到了8.43 cm,差异显著(
P<0.05),氯化铵、硝酸钠、酵母浸粉和蛋白胨效果依次递减。甘氨酸为氮源时,菌丝生长最慢,菌落直径仅为4.53 cm,低于无氮对照。因此,磷酸氢二铵为菌株M9的最适氮源。
2.3.3 不同光照对病原菌菌丝生长的影响
由
图6可知,在不同光照条件下,菌株M9生长的菌落直径均大于6.9 cm,前3 d菌落颜色相同;第4天开始出现颜色变化,其中,12 h光照/12 h黑暗处理后,菌落直径最大,为7.73 cm,菌落中间红色,外圈浅黄色,生长速率最快,且与其他处理差异显著(
P<0.05)。在24 h光照下,菌落颜色全部为白色,菌丝直径最小,为6.93 cm。因此,12 h光照/12 h黑暗是菌丝生长的最适光照条件。
2.4 室内防治药剂筛选
室内杀菌剂毒力测定结果显示(
表2),不同杀菌剂对远志根腐病病原菌的防治效果强弱分明。其中,50%咯菌腈EC
50值最小,为0.008 4 mg/L,对菌株M9菌丝生长的抑制作用最强,防治效果最好;其次为40%氟硅唑、30%噁霉灵,EC
50值分别为0.012 3、0.024 2 mg/L,抑制作用较强,防治效果较好;50%氯溴异氰尿酸、1.0×10
12 cfu/g枯草芽孢杆菌的EC
50值分别为4.169 6、3.915 3 mg/L,抑制作用较弱;80%福美双、86%十三吗啉的EC
50值分别为127.622 3、183.633 5 mg/L,抑制作用最弱。
3 结论与讨论
本研究对采集于山西主产区的根腐病危害的远志根部,通过形态学观察、内转录间隔区
ITS、翻译延伸因子基因
EF-1α分子标记,确定远志根腐病的致病菌为锐顶镰孢(
Fusarium acuminatum)。蒋晶晶等
[26]、郭玉霞等
[27]、周阳阳等
[28]研究报道了苜蓿、黄芩、玉竹根腐病的病原菌为锐顶镰孢(
F. acuminatum)。表明该菌不仅能够侵染药用植物,还能侵染粮食作物,显示出其广泛的寄主范围。
锐顶镰孢的最适生长温度为25 ℃,在20~30 ℃时菌丝生长良好,与蔡玉彪等
[29]的研究结果一致,说明该菌可在较宽的温度范围区间生长,对土壤温度的波动有较好的适应性,有利于其在土壤中的传播
[30]。但pH与地黄、玉竹褐斑病的病原菌锐顶镰孢(
F. acuminatum)的研究结果不同,在pH值为8的弱碱性条件下,该菌生长最佳,这可能与远志种植区的土壤理化性质有关,因为该地区位于黄土高原,土壤多偏碱性
[31]。最适宜生长的碳源为可溶性淀粉,12 h光照/12 h黑暗下病原菌生长最好,说明该菌适应于低光照的环境,与周阳阳等
[28]的研究结果一致。但是,最适氮源结果不同,磷酸氢二铵作为氮源时,病原菌生长最好,这可能是因为磷酸氢二铵不仅可以提供真菌优先利用的铵态氮,还能释放磷酸根离子来调节pH值。此外,有研究指出磷酸氢二铵能够提高真菌分泌的纤维素降解酶和木聚糖酶的活性,从而增强真菌对基质的降解和利用效率
[32]。
目前,已登记的用于防治根腐病的杀菌剂中,尚未有针对远志根腐病的登记记录。因此,在刘佳等
[20]前期研究的基础上,选用7种不同作用机制的杀菌剂进行毒力测定,结果表明,咯菌腈对病原菌抑制效果最好,EC
50值为0.008 4 mg/L,低于其他杀菌剂90%左右。孙新荣等
[33]对党参根腐病致病菌开展多药剂室内毒力对比试验,结果证实,咯菌腈对镰刀菌属根腐病菌抑菌活性最优,相较于噁霉灵、福美双等常规防治药剂,其抑菌毒力提升数倍,极低浓度下即可显著抑制病原菌菌丝生长,这与本研究筛选出咯菌腈为最优防治药剂的试验结果相一致。咯菌腈的作用机制可能是通过影响组氨酸激酶(HK)活性,抑制高渗透性甘油(HOG)途径中的丝裂原活化蛋白激酶(MAPK),导致菌体中的多醇类物质增加,从而抑制孢子萌发和芽管伸长
[34]。
除咯菌腈外,氟硅唑与噁霉灵对远志根腐病病原菌同样表现出优良抑菌活性。本研究毒力测定结果表明,2种药剂对锐顶镰孢的EC
50值均小于0.25 mg/L,抑菌效果稳定且显著,综合防治效果仅次于咯菌腈。氟硅唑属于三唑类甾醇合成抑制剂,主要通过抑制病原菌麦角甾醇的生物合成、破坏细胞膜结构完整性,造成菌体细胞膜通透性紊乱、代谢受阻,最终实现抑菌控病效果
[35]。该药剂对中药材真菌病害具有广谱高效的防控优势,毛婷等
[36]对麦冬根腐病药剂筛选试验证实,氟硅唑对麦冬根腐病菌抑菌效果最优,室内抑菌率显著优于其他参试药剂,与本研究氟硅唑抑菌效果优异的结论一致。与氟硅唑广谱稳定的抑菌特性不同,噁霉灵的防治效果存在显著的寄主差异性。周鑫等
[37]通过室内毒力与田间防效试验发现,噁霉灵对鱼腥草根腐病菌抑制作用较弱,田间实际防效不足40%;刘露等
[38]对党参根腐病药剂筛选结果同样证实,噁霉灵对党参根腐病菌毒力偏低,不适宜作为党参根腐病主力防治药剂。GAO等
[39]研究证明噁霉灵可作为特异性内吸性杀菌剂,被药用植物根系吸收后会快速代谢生成2种糖苷衍生物,仅一类衍生物具备抑菌活性,另一类衍生物抗菌活性极弱,造成药剂有效利用率大幅下降,最终导致噁霉灵在多种中药材根腐病防控中防效不稳定、整体偏低。氟硅唑与噁霉灵作用靶点、抑菌机理存在显著互补性,合理复配可实现防效协同提升。崔美香等
[40]通过不同配比复配筛选试验证明,当氟硅唑与噁霉灵按照1∶9体积比例复配施用时,药剂协同作用最强,对棉花黄萎病菌的菌丝生长抑制率可达86.8%,复配防效显著优于单剂施用。综上可知,氟硅唑与噁霉灵复配模式具备协同增效潜力,为远志根腐病的高效防控提供了新的防治思路。
本研究中福美双、十三吗啉等4种参试杀菌剂对远志锐顶镰孢的抑菌效果偏弱,EC
50值整体表现为枯草芽孢杆菌(3.915 3)>氯溴异氰尿酸(4.169 6)>福美双(127.622 3)>十三吗啉(183.633 5),各药剂毒力水平远低于咯菌腈、氟硅唑与噁霉灵,综合防治效果较差,故不推荐作为远志根腐病的防治药剂。枯草芽孢杆菌是应用广泛的优良生防菌株,兼具溶菌抑菌、植株促生等多重功效,对多数作物病原真菌具有良好的防控潜力
[41]。但在本研究中,该生防菌抑菌效果未达预期效果,推测原因与远志植株的自身抗病特性相关。远志根系及根际可大量合成三萜皂苷、口山酮等抗菌次生代谢物质,对枯草芽孢杆菌的生长定殖产生明显拮抗抑制,大幅削弱菌株的存活能力与抑菌效能,最终导致其对远志根腐病菌的抑制效果明显下降。氯溴异氰尿酸属于广谱氧化性杀菌剂,主要依靠释放氯离子、溴离子生成次氯酸、次溴酸活性分子,破坏病原菌菌体结构以实现抑菌作用
[42]。但该类活性分子化学性质极不稳定,易受土壤环境、湿度、温度等外界因子影响而快速分解失效,稳定性较差,这也是该药剂对远志根腐病菌抑菌活性偏低的主要原因。福美双为典型的保护性广谱杀菌剂,可通过抑制病原菌乙酰辅酶A合成、阻断柠檬酸循环关键酶活性来破坏菌体呼吸代谢过程,进而抑制病菌生长、造成菌体死亡
[43]。但该药剂无内吸传导性,仅能作用于植物体表,无法渗透植株内部杀灭已侵入根系的病原菌,同时对施药后新生植株组织无保护效果,仅适用于病害前期预防,对已发生的远志根腐病防控能力有限。十三吗啉与氟硅唑同属甾醇生物合成抑制剂(SBIs),但二者作用靶标与抑菌机制存在明显差异。其中,氟硅唑通过抑制病原菌C-14α-脱甲基化酶活性,破坏菌体细胞膜甾醇合成,改变细胞膜流动性与通透性,抑菌破坏作用较强;而十三吗啉主要抑制Δ8→Δ7异构化酶活性,仅造成菌体甾醇中间体大量积累,对病原菌甾醇合成通路的破坏程度较弱。相较于脱甲基酶抑制剂类杀菌剂,吗啉类的十三吗啉对真菌代谢与结构的损伤效果更温和。因此,其杀菌活性显著弱于氟硅唑,对远志根腐病的防控效果最差
[44]。
本研究证实,山西远志根腐病的病原菌为锐顶镰孢,明确该病菌最适生长温度为25 ℃、pH值为8,最适光照条件为12 h光照/12 h黑暗,菌丝生长的最优碳源、氮源分别为可溶性淀粉与酵母浸粉,阐明了该病原菌生物学特性与当地种植生态环境的适配规律。通过7种不同作用机制杀菌剂室内毒力筛选可知,锐顶镰孢对咯菌腈敏感性最高,咯菌腈的抑菌效果最优,氟硅唑、噁霉灵亦表现出良好抑菌活性,可作为远志根腐病高效防治药剂,其余参试药剂抑菌效果极差,不适用于该病害防控。实际生产中,建议在病害高发区优先采用咯菌腈开展种苗处理与土壤消毒,配合土壤pH调控、氮源科学管理等栽培措施,削弱病原菌生态适应性,从源头管控病害发生。后续需进一步探究远志根腐病致病机制,研发绿色环保的防控技术,完善病害综合防控体系,为远志规范化优质种植提供技术支撑。
国家中药材产业技术体系(CARS-21-03)
山西省基础研究计划(202203021212182)