黄芩(
Scutellaria baicalensis)为唇形科(Labiatae)黄芩属(Scutellaria)多年生草本植物,是我国常用大宗药材之一,传统中医主要以其根部入药,具有清凉、消炎和健胃等功效
[1-2]。随着人们生活水平和医疗保健意识逐步提高,传统中医人体保健理论逐渐被人们重视,近年来中药材黄芩的需求量不断上升,人工栽培黄芩的面积逐年扩大。据报道,2006年我国黄芩种植面积为6万亩
[3],2019年国家中医药管理局组织开展的第四次全国中药资源普查数据显示,全国黄芩种植总面积超过了50万亩,种植热度多年未减。陕西商洛位于秦岭南麓,独特的山地气候和土壤条件使其有“天然药库”之称,近年来陕西省政府大力扶持特色中药材产业发展,商洛市中药材产业得到了长足的发展,据统计,截至2022年底,全市中药材总面积达250.39万亩,总产量82.89万吨,药材产值61.84亿元,产量和面积均居全省之首。但由于目前黄芩规模化、集约化种植经验不足以及连作年限的延长,其根腐病连年发生危害严重且难以防治,对黄芩的产量和品质均有重大影响
[4]。
目前黄芩根腐病已成为陕西地区黄芩生产上连作障碍的瓶颈问题,已有学者对商洛地区黄芩根腐病病原物进行了分离鉴定,证明其优势病原菌为茄病镰孢菌(
Fusarium solani)
[5]。目前陕西地区黄芩根腐病的防治主要以化学药剂为主,该方法速效性强,但过度施用化学农药会造成生态环境污染并影响中药材的药用品质
[6],而选择环境友好的生物农药进行替代和补充是促进商洛地区黄芩产业绿色可持续发展的有效方法之一
[7],从而活性微生物的筛选成为生物防控黄芩根腐病的研究热点。近年来国内外针对中药材根腐病的生物防治技术开展了大量研究,目前研究较多且应用较广泛的主要有木霉菌
Trichoderma[8]、芽孢杆菌
Bacillus[9]和链霉菌
Streptomyces[10]等相关微生物活体及其代谢产物。
本研究拟从陕西省商洛地区健康黄芩根际土壤中分离获得具有生防潜力菌株,以商洛地区黄芩根腐病优势病原菌茄病镰孢菌为测试对象,综合评价生防菌株对黄芩根腐病的生防效果,以期为商洛地区黄芩根腐病的生物防治提供依据,并为开发具有应用价值的生防菌剂提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 供试材料
土壤样本于2023年7月24日采集自陕西省商洛市商州区柳树渠村(33°45′36″N,110°10′33.67″E),共采集8个样点,合并为2份样品。
黄芩根腐病病原茄病镰孢菌(Fusarium solani)由本课题组从商洛市商州区李家河滩村黄芩根腐病高发田块分离并保存。
1.2 培养基配方
马铃薯葡萄糖培养基(Potato Dextrose Agar, PDA):马铃薯200 g·L-1、葡萄糖20 g·L-1,琼脂15~20 g·L-1,液体培养基不添加琼脂;
高氏一号培养基(Gauze's Synthetic Medium No.1):可溶性淀粉20 g·L-1,KNO3 1 g·L-1,K2HPO4 0.5 g·L-1,MgSO4·7H2O 0.5 g·L-1,NaCl 0.5 g·L-1,FeSO4·7H2O 0.01 g·L-1,琼脂15~20 g·L-1,pH为7.4~7.6,液体培养基不添加琼脂;
燕麦琼脂培养基ISP3 (International Streptomyces Project 3):燕麦粉20 g·L-1,NaCl 1 g·L-1,pH为7.0~7.5;
铬天青检测培养基(Chrome azurol S Assay Medium):铬天青S(CAS)0.06 g·L-1,十六烷基三甲基溴化铵0.072 g·L-1,FeCl3·6H2O 0.002 g·L-1,NaH2PO4·2H2O 0.295 g·L-1,Na2HPO4·12H2O 1.213 g·L-1,NH4Cl 0.125 g·L-1,KH2PO4 0.037 5 g·L-1,NaCl 0.062 5 g·L-1,琼脂9 g·L-1;
阿须贝氏无氮培养基(Ashby Nitrogen-free Agar):KH2PO4 0.2 g·L-1,CaCO3 5.0 g·L-1,MgSO4·7H2O 0.2 g·L-1,NaCl 0.2 g·L-1,CaSO4·2H2O 0.1 g·L-1,甘露醇10 g·L-1,琼脂 17~20 g·L-1。
1.3 生防菌株的分离纯化及活性筛选
1.3.1 待测菌株分离、纯化与保存
采用梯度稀释涂布法对采集土样的放线菌进行分离纯化
[11]。称取5 g土壤样本,使用45 mL无菌水悬浮后置于30 °C、180 r·min
-1恒温振荡培养箱中处理15 min。样本置于室温待土壤沉淀后,吸取5 mL上清液移至加有45 mL无菌水的锥形瓶中,配制成体积比1∶10的土壤悬浮液,分别将其稀释成10
-6~10
-1梯度稀释液。取各梯度稀释的悬浊液涂布至含终浓度为50 μg·mL
-1重铬酸钾的高氏一号培养基
[12],置于28 °C恒温培养箱中倒置培养。待菌落形成后,挑取单菌落至高氏一号平板上划线培养,将纯化后的单菌落接种于2 mL高氏一号斜面培养基中4 °C保存备用。
1.3.2 待测菌拮抗活性筛选
采用平板对峙法
[11]对供试菌株进行筛选,用灭菌的打孔器将活化培养好的黄芩根腐病病原菌制备成直径0.7 cm的菌饼,将其接种在直径9 cm的PDA平板中心,然后在距中心3 cm的对称四点处接种不同拮抗菌株,每个处理3次重复。将平板转移至28 °C恒温培养箱内,3~5 d后观察各平板生长情况,并初步筛选出对黄芩根腐病原菌具有拮抗作用的生防菌株。
1.3.3 生防菌发酵液抑菌能力测定
(1)采用生长速率法
[13]测定供试生防菌株发酵液对黄芩根腐病菌的抑制率。将初筛获得的拮抗菌接种于高氏一号培养基平板,4~6 d后使用0.7 cm打孔器打制菌饼,接种至装有100 mL高氏一号液体培养基的三角瓶中,每瓶接种5~7个菌饼。继续置于180 r·min
-1 28 °C恒温摇床摇培5 d,发酵液经13 000 g离心5 min后,取上清液用细菌过滤器(0.22 μm)过滤得到无菌发酵液。将无菌发酵液与PDA培养基按体积比1∶9均匀混合,分别以终浓度为100 μg·mL
-1的多菌灵和等体积无菌水为对照。平板中央接种黄芩根腐病菌后将其置于28 °C恒温培养箱内继续培养3~5 d。通过十字交叉法测量各处理组病原菌菌落直径,并计算抑制率。
切取黄芩根腐病菌边缘菌落,经3%(v/v)戊二醛磷酸缓冲液(100 mmol·L
-1, pH为6.8)中固定20 h、系列乙醇脱水、乙酸异戊酯置换、临界点CO
2干燥及喷涂处理后在扫描电子显微镜(S-4800,日本株式会社日立制作所)下观察菌体显微形态
[14]。
(2)参考王珺等
[15]方法测定生防菌株发酵液对黄芩根腐病菌孢子萌发的抑制作用。取供试病原菌的孢子配成适当浓度的孢子悬浮液(10×10低倍镜下,每视野含30~40个孢子为宜)。将发酵液与孢子悬浮液等体积混合,以等量无菌水为对照处理,各取一滴滴加在无菌单凹载玻片上,并使液滴倒悬在保湿盒内,每处理重复3次。在25 °C下培养10~16 h后检查对照孢子的萌发情况。当对照的萌发率达到85%以上,检查各处理孢子萌发率(以孢子芽管长度大于孢子短半径者为萌发标准),试验重复3次,按下式计算抑制孢子萌发率
[16]。
1.4 供试生防菌防治黄芩根腐病药效试验
1.4.1 盆栽药效试验
参考郑豆豆等
[17]方法测定供试生防菌对黄芩根腐病的防治作用。选取长势一致的健康2年生黄芩,将其移栽至装有300 g无菌土的花盆(直径16.5 cm,高23.0 cm)中生长。(1)治疗效果测定:采取伤根灌注法
[18]接种黄芩根腐病菌孢子悬液,每盆接种20 mL,每组处理6盆,24 h后再向其中灌入含菌发酵液50 mL。(2)保护效果测定:将50 mL供试含菌发酵液灌入供试植株根际土壤,24 h后再接种黄芩根腐病菌孢子悬液。以等量40%多菌灵可湿性粉剂500倍液和无菌水为对照。处理14 d后观察记录各处理组植株发病情况并统计株高、根长及地上部鲜重。按病情指数法计算各处理组药效,以黄芩根部病斑所占面积的百分率来进行病害分级
[19],具体划分标准为:0级,无病斑;1级:感病面积不高于整个根部面积的10%;3级:感病面积占整个根部面积的11~30%;5级:感病面积占整个根部面积的31~50%;7级:感病面积占整个根部面积的50%以上。
1.4.2 田间药效试验
试验设在陕西省商洛市商州区李河滩村农户自留缓坡地,土质为沙壤土,肥力中等,试验地土壤、水肥条件一致,田间管理同大田生产基本一致,供试植株为三年生黄芩,试验期间黄芩根腐病轻度至中度发生。试验处理组分别为HQ-53和HQ-75的含菌发酵液,对照药剂为40%多菌灵可湿性粉剂500倍液,将供试生防菌发酵液稀释至孢子浓度为10
9 CFU·mL
-1,施入黄芩根部,每株施加500 mL
[20],以清水处理为空白对照组,每处理3次重复,小区面积25 m
2(5 m×5 m),按地势随机区组排列。
在施药前按1.4.1所述统计黄芩根腐病的病情指数,每隔7 d施一次药,共施药3次,采用五点取样法统计各小区第一次施药后7 d和末次施药后7 d黄芩植株情况,按1.4.1所述计算病情指数和防治效果。
1.5 生防菌株鉴定
1.5.1 菌株形态学鉴定
将纯化后的菌株划线于ISP3培养基,将其置于30 °C恒温培养箱内继续培养1~2周,参考《伯杰细菌鉴定手册》
[21],利用光学显微镜观察并记录菌丝形态特征。另取少量菌体按1.3.3所述处理后在扫描电子显微镜下观察菌体和孢子特征。
1.5.2 分子生物学鉴定
菌株经高氏一号培养基摇培2~3 d后,挑取生长旺盛菌丝,使用改良CTAB法提取DNA
[22],通过扩增其16srRNA序列进行分子鉴定,引物分别为27F(AGAGTTTGATCCTGGCTCAG)和1492R(CTACGGCTACCTTGTTACGA),PCR扩增体系为:Taq PCR Mix 预混液(上海生工生物工程股份有限公司) 12.5 μL,正反引物各1.0 μL,DNA模板1.0 μL,补充ddH
2O至25.0 μL。PCR扩增条件为:94 °C预变性5 min,94 °C变性30 s,56 °C退火30 s,72 °C延伸1 min,32个循环后72 °C保温10 min
[23],扩增产物经1%琼脂糖凝胶电泳检测合格后送至北京擎科生物科技股份有限公司进行测序。测序所得序列结果应用于EzBioCloud (
https://www.ezbiocloud.net/)网站与所有已发表的典型菌株进行相似度分析,选择下载与鉴定生防菌序列相似性较高的条目,以
Nocardiopsis rhodophaea YIM 90096
T为外群,通过MEGA 6.0软件使用邻接法(Neighbor-Joining, NJ)构建目标菌株的16srRNA序列系统发育树
[24],分析并确定其分类地位。
1.6 生防菌生物学特性测定
1.6.1 菌株生长曲线测定
取已活化后的生防菌悬液100 μL接种至含100 mL高氏一号液体培养基的锥形瓶中,将其置于180 r·min
-1,28 °C恒温震荡培养箱摇培,于接种后的0~120 h内每隔12 h吸取菌悬液,使用分光光度计测定其OD
600值
[25],以不接种生防菌悬液的高氏一号培养基为空白对照,绘制菌株生长曲线。
1.6.2 菌株固氮能力测定
将待测菌株接种至阿须贝氏无氮培养基(Ashby)平板
[26],将其置于28 °C黑暗培养,若菌株能在该培养基上正常生长,则表明菌株具有固氮作用;
1.6.3 菌株产铁载体能力测定
挑取生长旺盛待测菌株的菌饼接种至铬天青检测培养基(CAS)蓝色检测平板,当有铁载体存在时,由于铁载体能够与Fe
3+形成更稳定的螯合物,伴随着铁离子从其结合紧的蓝色化合物转移到铁载体中而使其颜色从蓝色转变为橙色
[27]。平板置于28 °C黑暗培养,观察菌饼周围培养基颜色变化。
2 结果与分析
2.1 拮抗菌株筛选
本研究从商洛地区健康黄芩根际土壤中共分离得到的92株放线菌,进一步对其抗茄病镰孢菌的活性进行测定,共筛选得到9株对茄病镰孢菌具有拮抗活性的菌株(
图1)。其中HQ-53和HQ-75 2株菌对黄芩根腐病病原菌具有良好拮抗效果,可观察到产生明显抑菌带,而菌株HQ-12、HQ-13、HQ-15、HQ-25、HQ-26、HQ-27和HQ-72这6株菌对茄病镰孢菌的抑制效果相对较差。
2.2 生防菌发酵液抑菌能力测定
选择经初筛后具有拮抗活性的9株放线菌,测定其发酵液对茄病镰孢菌菌丝生长和孢子萌发的抑制效果。与上述平板对峙结果一致,菌株HQ-53和HQ-75的原发酵液对茄病镰孢菌的菌丝生长抑制效果最好,抑制率分别为65.3%和77.5%,与对照药剂100 μg·mL
-1的多菌灵(70.3%)相当,两株菌的抑制效果均显著高于其余7株供试菌株(
图2A);对茄病镰孢菌孢子萌发的抑制活性测定与上述结果类似,菌株HQ-53和HQ-75的原发酵液表现出较好的孢子萌发抑制活性,但相较于对菌丝生长的抑制活性,2菌株原发酵液对孢子萌发抑制活性相对较弱,抑制率分别为43.5%和55.4%(
图2B),HQ-75的孢子萌发抑制活性优于对照药剂100 μg·mL
-1的多菌灵(48.2%)。此外,菌株HQ-53和HQ-75的原发酵液处理后,黄芩根腐病病原菌茄病镰孢菌的菌丝形态有明显变化,对照处理菌丝光滑,分支正常(
图2C),菌株HQ-53和HQ-75处理后其菌丝均表现肿胀变粗且分支异常,畸形生长(
图2D-
图2E)。
2.3 供试生防菌防治黄芩根腐病药效试验
2.3.1 盆栽药效试验
各处理组对黄芩根腐病的盆栽药效试验结果如
表1所示,生防菌HQ-53和HQ-75原发酵液对黄芩根腐病均有较优良的保护效果,分别达到了77.3%和72.2%,优于对照药剂40%多菌灵可湿性粉剂500倍液(56.2%)。2菌株对黄芩根腐病的治疗效果则相对较差,分别为43.7%和32.7%,与对照药剂相当(41.2%)。此外,2生防菌发酵液处理对黄芩生长也有较大影响(
表2),2株生防菌HQ-53和HQ-75原发酵液处理组对黄芩株高、根长和地上部鲜重均有不同程度的促进作用,相较于对照药剂40%多菌灵可湿性粉剂500倍液,2处理组植株的株高分别提高了27.3%和35.1%,根长提高33.5%和44.0%,地上部鲜重增加了20.1%和37.2%,值得注意的是HQ-75原发酵液虽对黄芩根腐病防效较HQ-53略低,但对黄芩植株促生作用更强。上述试验结果表明2株生防菌不仅对黄芩根腐病有较优良的防效,且对黄芩植株的生长和药材质量均有显著提高。
2.3.2 田间药效试验
各处理组防治黄芩根腐病田间药效结果如
表3所示,在第一次药后7 d,对照药剂40%多菌灵可湿性粉剂500倍液防效最优,达到了54.8%,生防菌HQ-75与其效果相当(48.4%)。而生防菌HQ-53防效则相对较差,为31.2%。随着用药次数和时间的增加,末次施药后7 d,生防菌HQ-75的防效最优,为67.3%,显著优于对照药剂多菌灵可湿性粉剂500倍液的防效(60.1%),在该时间点,生防菌HQ-53的防效与对照药剂相当,为56.2%。上述试验结论证明生防菌HQ-75和HQ-53在田间应用防治黄芩根腐病有较优良的防效,且其药效随使用时间和次数的增加而逐渐提高,此外在田间统计药效时也发现,生防菌HQ-75和HQ-53处理后的黄芩植株叶片更宽大,株高相对更高,植株整体长势有所提高,表明2株生防菌兼具对植株生长的促进作用。
2.4 生防菌株形态学鉴定
两菌株在ISP3培养基生长形态特征总结如
表4所示,菌株HQ-53在高氏一号培养基中生长较快速,基生菌丝烟灰色,气生菌丝丰富,呈淡粉色,不产生可溶性色素(
图3A),其孢子呈圆柱状,孢子丝直形略波曲,大小约为0.6 μm×0.5 μm(
图3B);放线菌HQ-75在高氏一号培养基中生长快速,其基生菌丝白色,气生菌丝白色,产红棕色可溶性色素(
图3C),其孢子为长椭圆形,孢子丝直形略波曲,大小约为1.2 μm×0.5 μm(
图3D)。2株菌上述形态特征均符合链霉菌属典型菌株特征。
2.5 生防菌株分子生物学鉴定
通过对菌株HQ-53和HQ-75的16srRNA序列进行扩增和测序,分别得到长度为1484 bp和1465 bp的目标序列,已提交至NCBI数据库,登录号分别为PP124573和PP124574。2菌株序列经比对分析后采用邻位连接法(Neighbour-Joining)构建系统发育树(
图4)。结果表明,菌株HQ-53与灰橙链霉菌属(
Streptomyces griseoaurantiacus NBRC 15440
T)聚在一个分支,菌株HQ-75与巴西链霉菌属(
Streptomyces brasiliensis NBRC 101283
T)聚在一个分支,两者Bootstrap value检验值均为100,支持了2菌株的分支地位,且其他相似度较高序列的菌株也均为链霉菌属,与上述结论一致。
2.6 生防菌生物学特性测定
2.6.1 菌株生长曲线测定
分别将待测菌株HQ-53和HQ-75接种至高氏一号液体培养基中摇培,28 °C 180 r·min
-1震荡培养,每隔12 h取样1次,离心收集菌体后测定菌丝体干重,结果如
图5A所示,2菌株生长曲线趋势一致,0~36 h为潜伏期,36~72 h为对数生长期,72 h后开始进入衰亡期。菌株HQ-53和HQ-75均在培养72 h时达到最大细胞干重,分别为6.57 g·L
-1和5.93 g·L
-1。
2.6.2 菌株促生能力测定
菌株HQ-53和HQ-75促生能力检测结果如图
5B和
5C所示,2菌株在CAS培养基上均不产生橘红色透明圈,证明2菌株均不产生铁载体。菌株HQ-75在阿须贝氏无氮培养基上生长良好,可见明显辐射状菌落,证明其具有较强的固氮效果,菌株HQ-53则较弱。结果表明两株黄芩根际链霉菌在促进植物生长方面具有较大的应用潜力。
3 讨论
陕西省商洛市是黄芩的传统种植地区,近年来当地政府多项政策的出台极大地推动了黄芩人工种植产业的发展
[28],但在生产上,由于商洛地区可耕种土地面积小,普遍存在的连作现象导致黄芩根腐病发生严重
[4]。采用化学药剂防治黄芩根腐病是最有效的方式之一,朱广啟等
[29]利用针对黄芩根腐病菌茄病镰刀菌(
Fusarum solani)进行室内药剂毒力测定,结果表明嘧菌酯和咯菌腈对病原菌生长繁殖有较强的抑制效果,其抑制率分别为58.0%和63.2%。例如甲基硫菌灵、苯醚甲环唑、甲基托布津以及多菌灵等复配制剂在田间黄芩根腐病的防治中也有广泛应用
[30]。尽管化学防治方法见效快,长期不合理使用化学药剂易导致农药残留超标问题,严重影响黄芩的药用价值,此外还有病原菌抗性的产生以及环境压力增大等问题,化学药剂的使用往往受限较大,远不能达到预期效果,不利于中药材产业绿色可持续发展。
相比于传统化学农药防治方法,生物农药在中药材等高附加值作物中有极大的应用潜力,应用根际细菌和植物内生菌不但能拮抗病原菌,而且兼具促进植物生长的作用,例如李堆淑
[31]使用细黄链霉菌(
Streptmyces microflavus)发酵液处理黄芩,可增强黄芩叶片中多种抗病相关酶的活力,增强黄芩对根腐病的抗病性。类似地,贺超等
[32]在黄芩根部接种丛植菌根类真菌摩西球囊霉(
Glomus mosseae),其可与黄芩根系形成良好共生关系并改善黄芩叶片的光合特性,提高黄芩根系化学元素、黄芩苷质量分数及其根系干质量。还有研究报道了使用商品化生防菌剂防治黄芩根腐病的田间药效试验。结果表明,供测微生物菌剂力锐特、坤益建、菌淋天下等对黄芩根腐病均有良好防效,其中力锐特效果最好,为81.97%,此外,研究者还比对了不同药剂组处理后黄芩鲜重、根长、产量等经济性状,除坤益建以外,其余商品化药剂均增产16%以上。生物防治方法因其安全性高,对环境友好,目前已成为当前防治植物病害的重要手段之一,具有广阔的应用前景。
4 结论
本研究从陕西省商洛市地区黄芩根际土壤筛选获得2株对黄芩根腐病表现优良拮抗活性的放线菌,进一步结合形态学和16s rRNA测序比对,将菌株HQ-53初步鉴定为灰橙链霉菌属(Streptomyces griseoaurantiacus),菌株HQ-75初步鉴定为巴西链霉菌属(Streptomyces brasiliensis),进一步活性测定结果表明,2菌株的无菌发酵液对茄病镰孢菌菌丝生长抑制率抑制率分别为65.3%和77.5%,对其孢子萌发抑制率分别为43.5%和55.4%,结合扫描电子显微镜观察处理后病原菌超微结构,发现2生防菌的无菌发酵液处理后茄病镰孢菌菌丝均出现了不同程度的肿胀和生长畸形,表明其发酵液中存在活性代谢物。此外2株菌还具有固氮作用,兼具对植物生长的促进作用。2株生防菌的含菌发酵液在盆栽和田间药效试验中对黄芩根腐病均表现出优良防效,但在田间应用时效果相对较差,还需进一步针对菌株的田间应用开展相关研究。综合来看2株生防菌仍表现出较大的开发应用潜力。
陕西省林业科技推广重大项目(H2022-10)
咸阳职业技术学院博士启动基金项目(2022BK03)