0 引 言
百合花是可食用的美味佳肴和滋补上品,同时也是极具艺术性的名花。百合花由于其较高的观赏性、可食用性和药用价值,在市场上的经济效益日益可观,具有很好的市场前景
[1]。在培植过程中,由于百合花的生理特性,使其易受到真菌,细菌,病毒和生理性病害的威胁。百合枯萎病就是抑制百合花生长的主要土传病害之一,百合枯萎病主要由尖刀镰孢菌(
Fusarium oxysporum)这种病原菌引起
[2,3]。病原菌多以菌丝体侵入百合种球内部,使其逐渐感染孢子和菌丝体,最终导致植株大量枯萎死亡
[3]。目前,针对百合枯萎病这种土传病害的防治手段有:农业防治方法、生物防治方法和化学防治方法等
[4]。而在生物防治技术中利用生防真菌这些有益微生物及其代谢活性物质是防治植物枯萎病一条重要且有效的途径
[5]。淡紫紫孢菌(
Purpureocillium lilacinum)作为一种丝状生防真菌可以寄生在线虫虫卵中,在盆栽实验中对线虫第二阶段幼虫、卵或卵团均有较好的控制作用
[6]。它除了能够有效防治昆虫外,同时也被认为是昆虫病原真菌,被证实在体外对真菌菌丝体的生长具有较高抑制作用,尤其对梨毛霉(
Mucor piriformis)、玫瑰毛霉(
Trichothecium roseum)、立枯丝核菌(
Rhizoctonia solani)和黄萎病菌(
Verticillium dahliae)有较强的抑制活性
[7]。同时淡紫紫孢菌对各种作物具有促进生长的能力,能有效增加番茄
[8]、香蕉
[9]、辣椒
[10]、茄子
[7]和棉花
[11]等作物在生长期的大小,导致植物生长过程中土壤肥力显著增加。与化学杀虫剂相比,淡紫紫孢菌具有对人类和动物无毒的优点,不仅不会对环境造成污染,还能有效利用生活中食物废渣和工业上生物发酵废弃物中的营养物质
[12],实现“变废为宝”的价值。本研究通过评估淡紫紫孢菌PLF⁃1对尖刀镰孢菌的抑制作用和对百合种球防御系统的影响,以期为淡紫紫孢菌PLF⁃1应用于防治百合枯萎病提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
实验中所有的百合花苗均来自于株洲农科所培植的东方百合品种。
1.2 仪器与试剂
紫外分光光度计(T6新世纪,北京普析通用仪器有限公司);恒温培养振荡器(HNY⁃BOOD,天津市欧诺仪器仪表有限公司);电子精密天平(JA4103,上海舜宇恒平科学仪器有限公司);双人超净工作台(SW⁃CT⁃2D,苏州净化设备有限公司);数显恒温水浴锅(HH⁃2,常州朗越仪器制造有限公司)。NaOH、HCl、葡萄糖、酵母膏、氯化钠和硫酸镁均采购于北京伊诺凯科技有限公司。
1.3 供试菌株
生防真菌:淡紫紫孢菌(Purpureocillium lilacinum)PLF⁃1由湖南工业大学生物医学纳米材料与器件重点实验室分离提供。
百合病原真菌:尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum),由本实验室保存。
2 实验方法
2.1 淡紫紫孢菌的培养与分生孢子悬浮液的制备
将实验室保存的PLF⁃1菌株采用扎孔法接种于PDA培养基上,在28 °C培养箱中培养4~5 d,挑取单菌块放置于装有无菌水的10 mL离心管中,共制备10管,加入灭菌玻璃珠并置于快速混匀器混匀,集中在一起后用8层纱布过滤制得孢子悬浮液,用血细胞技术板镜检得出孢子悬浮液浓度为4.34×108 CFU/mL,置于4 °C冰箱中保存备用。
2.2 百合种球的培养
挑选出100株长势均匀的百合种球,50株放置于25 °C光照培养箱中进行MS组织培养,光照16 h黑暗8 h,50株放置于清水培养基中进行水培,生长条件与MS培养基保持一致,均放入培养箱中进行培养,其中水培实验组早晚各浇一次水。每隔4 d测量其茎高、根长及生物量
[13]。每个处理重复6次。
2.3 淡紫紫孢菌对尖孢镰刀菌的平板离体实验
将淡紫紫孢菌孢子悬浮液用无菌水配成一定浓度梯度的溶液。分别取不同孢子浓度的淡紫紫孢菌菌液3 mL,分别加入预先制备好的加热融化、冷却到50 ℃左右时的PDA培养基(每瓶100 mL),摇匀倒入5块平板,每个处理设置3个重复。12 h后,每个平板中央用打孔法接种直径为2 mm的尖孢镰刀菌,以加3 mL无菌水平板为对照,将此平板倒置在28 °C培养箱中培养,4 d后观察病原菌菌落直径并进行测量,计算公式如下:
抑菌率(%)=(对照菌落直径-处菌直径落理)/对照菌落直径×100%
2.4 淡紫紫孢菌对百合生长的影响
挑选出100株长势均匀的百合种球,剪去其茎叶以及长根,用75%的无水乙醇消毒30 s,再用0.1%的HgCl2消毒10 min;最后用无菌水清洗3~5遍。将淡紫紫孢菌母液稀释10、100、1 000、10 000倍四个梯度,各浸泡百合种球20 min,设置无菌水进行对照。所有操作在无菌操作台中进行。实验重复3次,每次实验设置3个平行组。
2.5 淡紫紫孢菌对感染尖孢镰刀菌百合种球的实验
挑选出100株长势均匀的百合种球,剪去其茎叶以及长根,用75%的无水乙醇消毒30 s,再用0.1%的HgCl
2消毒5 min,最后用无菌水清洗3~5遍。将其均分为四组,第一组用无菌水处理进行对照,第二组用浓度为5.68×10
5 CFU/mL的尖孢镰刀菌孢子悬浮液处理,第三组用浓度为4.68×10
7 CFU/mL的淡紫紫孢菌孢子悬浮液处理,第四组先接种淡紫紫孢菌孢子悬浮液,24 h后再接种尖孢镰刀菌孢子悬浮液。接种5 d后测量其茎高、根长及鲜重的变化
[13]。每个处理重复6次。
2.6 抗氧化酶活测定
挑选出100株长势均匀的百合种球,剪去茎叶和长根,用75%的乙醇消毒30 s,再用0.1%的HgCl
2消毒5 min,最后用无菌水清洗3~5遍。取样品洗净后置于预冷的研钵中,加入预冷的磷酸缓冲液(pH 7.8)在冰浴上研磨成匀浆,转入离心管中在4 ℃、12 000 r/min下离心20 min,上清液即为酶液。用分光光度计法测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性
[14]。
2.7 数据分析
采用Excel 2010 和GraphPad Prism 8.0 用于数据统计及显著性差异分析。
3 结果与分析
3.1 淡紫紫孢菌对尖孢镰刀菌的平板拮抗
将四组稀释浓度的淡紫紫孢菌分别接种在PDA固体培养基上,24 h接种尖孢镰刀菌菌块,4 d后进行观察,结果如
图1所示。图中黄色菌落为尖孢镰刀菌,白色菌落为淡紫紫孢菌。结果显示:在PDA固体培养基上PLF⁃1菌株对尖孢镰刀菌具有拮抗作用。淡紫紫孢菌孢子悬浮液浓度越高,尖孢镰刀菌的菌落越小,稀释10倍浓度的淡紫紫孢菌悬浮液抑制率达到72.5%,而稀释100、1 000、10 000倍PLF⁃1菌株悬浮液的抑制率分别为67.5%、60%、42.5%。因此可以证实淡紫紫孢菌PLF⁃1菌株对抑制尖孢镰刀菌的生长有一定的作用。除了淡紫紫孢菌的孢子悬浮液具有抑菌作用外,有研究者证实了淡紫紫孢菌NH⁃PL⁃03菌株通过其次生代谢产物产生
β⁃葡萄糖苷酶、多糖和蛋白酶对尖孢镰刀菌产生显著的拮抗作用,并且淡紫紫孢菌菌株还可以营养竞争的方式抑制病原菌的生长繁殖
[15、16]。
3.2 淡紫紫孢菌对百合花生长的影响
前期对百合种球进行组织培养和清水培养对照处理,结果如
图2所示,清水培养组的百合花增长率较为缓慢,明显后期根茎营养不足,百合种球防御能力降低,因此容易感染病原菌和霉菌。组织培养组的百合花长势较清水培养组快,各时期中因营养充足,环境相对安全,鲜重呈持续性增长。分别对百合种球这两个培养处理组进行数据统计,每隔4 d记录其茎长(A)、根长(B)、生物量鲜重(C)和干重(D)的变化情况,结果见
图3所示。实验中组织培养组的以上四项数据均比清水培养组好,也不易感染杂菌,推测是由于两组百合种球均移栽自组培瓶中,而水培过程中操作不当会让脆弱的种苗感染病菌,因此可在前期选择组培的方式孵育百合种球,等长到一定成熟期再用土培。不仅如此,在组织培养过程中,合理把握氮磷钾的配比、总盐分浓度和酸碱度对前期孵育百合种球都是至关重要的
[17]。
在上述基础上,制作PLF⁃1菌株孢子悬浮液母液,其浓度为4.34×10
8 CFU/mL,稀释10、10
2、10
3和10
4倍四个浓度梯度,用来处理百合花的组织培养体,接种3 d(左)和5 d(右)后观察其长势,结果如
图4所示,稀释10
3和10
4倍两个浓度梯度的PLF⁃1菌株已表现出明显促生效果,而无菌水对照和其余两个高浓度菌株培养下百合种球生长较为缓慢。综上所述,相比无菌水对照和高浓度的淡紫紫孢菌,低浓度的淡紫紫孢菌孢子悬浮液可使百合种球生长和发育达到较理想的水平。
接种PLF⁃1菌株的百合生长测定结果如
图5所示,稀释1 000和10 000倍PLF⁃1菌株悬浮液的茎长相较无菌对照分别增长14.66%、35%(
图5A),根长分别增加36.8%、45.94%(
图5B);5 d时,这两个低浓度的促生效果十分明显,最高促生茎长为11 cm。另外用稀释10、1 000倍两个浓度的PLF⁃1菌处理的百合种球其生长受到一定抑制,表现为茎长较无菌水对照组分别降低37.4%、28.2%(
图5A),而稀释10倍的根长缩短28.3%(
图5B)。说明高浓度PLF⁃1菌液对百合生长可能产生抑制作用,低浓度菌液则促进百合生长。由于稀释1 000和10 000两个浓度促生效果明显,因此种球生长更健康壮实,鲜重和干重也比其他处理组高(图
5C、
5D)。
综上所述,相比无菌水对照和高浓度的淡紫紫孢菌,低浓度的淡紫紫孢菌孢子悬浮液可使百合种球生长和发育水平达到较理想的水平。Lan等
[7]发现QLP12菌株具有有效促进茄子生长和抑制黄萎病的作用。夏汉祥等
[18]检测出淡紫紫孢菌PL⁃HN⁃16菌株可以通过产生类植物生长素的活性蛋白促进菜心种子萌发,并且发现高浓度发酵菌液会抑制植株生长,而低浓度的发酵菌液则促进生长的特性。
3.3 淡紫紫孢菌对感染抗尖孢镰刀菌百合的抗性影响
对百合种球进行接菌处理,记录其茎长、根长及生物量的变化,结果如
图6所示。结果表明,PLF⁃1菌株具有促生、壮苗作用,同时可降低尖孢镰刀菌引起的病情。仅用PLF⁃1菌株处理的百合花种球长势十分茂盛,茎叶高、根系健康,其中茎长增加37.6%,根长增加33%;只用尖孢镰刀菌处理的百合花种球生长受到抑制,根系脆弱泛黄、出现染病腐烂的情况,其中茎增长抑制率为17.6%(
图6A),根增长抑制率为0.07%(
图6B);同时接种两种菌的处理组鲜重比前两组单种菌处理增重较多,原因可能是本身生物量增加,以及淡紫紫孢菌菌株促使其营养物质增加,干重基本稳定,差异不大;两种菌处理的植株,种球健康,少数茎叶较高,多数茎叶均有一定增加,其中茎长增长27.2%(
图6A),根长增长18.7%。说明淡紫紫孢菌PLF⁃1菌株有增强百合抗尖刀镰孢菌的促生长作用,推测第四个处理组中百合种球防御酶既受到PLF⁃1菌株的作用,又由于病原菌的胁迫,百合自身为抵抗逆性环境,而增加体内防御酶的数量引起。张菁等
[19]对菌株QLP12防治番茄灰霉病进行研究,发现在灰葡萄孢胁迫下,菌株QLP12可通过诱导植株防御酶活性的提高,其发酵液接种于番茄盆栽实验中可有效抑制番茄灰霉病发生,并促进番茄幼苗生长。
3.4 淡紫紫孢菌对百合防御酶活性的影响
植物受到环境胁迫时会启动自身多个防御系统,以减少体内活性氧(reactive oxygen species, ROS)对植株的毒害。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)和过氧化物酶(peroxidase, POX)是酶抗氧化防御系统中主要起保护作用的三种酶
[20]。这三种酶均属于生物体内抗氧化酶系统,其中SOD能消除生物体在新陈代谢过程中产生的有害物质;POD可催化过氧化氢、氧化酚类、胺类化合物和烃类氧化产物,具有消除过氧化氢和酚类、胺类、醛类和苯类毒性的双重作用;CAT的主要作用即催化H
2O
2分解为H
2O与O
2,使得H
2O
2不至于与O
2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的羟基
[21]。推测PLF⁃1菌株处理可诱导植株系统抗性增强、清除植株组织内产生的活性氧簇,使细胞受损程度降低。
连清贵等
[22]应用壮观链霉菌处理感染灰霉病的番茄之后发现其体内氧化酶活性均增加,同时张菁等
[19]利用淡紫拟青霉QLP12处理感染灰霉菌的番茄植株检测出几种防御酶活性增强,仅病原菌处理组防御酶活性没有明显变化,可能病原菌在一定程度上会抑制植物体内防御酶活性。
图7中为本研究中各处理组防御酶活性测定结果。结果表明在淡紫紫孢菌的诱导下,感染尖刀镰孢菌的百合种球内的防御酶活性增加,推测淡紫紫孢菌PLF⁃1菌株和尖刀镰孢菌均在一定程度上诱导植物系统抗性增强,而PLF⁃1菌株能有效降低植物中活性氧含量,以达到降低病原菌的胁迫作用。台莲梅等
[23]利用25%尖刀镰孢菌毒素处理大豆,研究发现该毒素会使大豆体内的POD、PPO和PAL三种防御酶最终活力呈下降状态,但测定数据显示前期三种酶活力是呈缓慢上升。淡紫紫孢菌在植物的抗病过程中,往往在增加植株的防御酶的活力或减缓防御酶活力下降两方面发挥作用,将植株防御酶维持在较高水平,以此抵植物病原菌的侵害。除此以外,淡紫紫孢菌还可以通过提高植株体内脯氨酸的积累量以及降低对细胞具有毒性的丙二醛等物质的量来提升植物自身的免疫能力,从而使植物更有效地抵御外来病原菌的侵害
[19]。
4 总 结
本文主要探究了淡紫紫孢菌对百合种球在组织培养和水培两种培养条件下的生长及离体和体内病原菌尖刀镰孢菌抗性的影响,同时探索了淡紫紫孢菌对病原菌的抑制效果,从而进一步为探索淡紫紫孢菌的抑菌机制奠定基础,也有助于研制理想生物菌剂广泛应用于农业生产中。在适宜条件下,淡紫紫孢菌可以通过溶解磷、钾等微量元素供植物利用,也可以产生一定量的IAA和蛋白酶,帮助植物获得更多的营养物质,从而更好地抵御外来病原真菌的侵害。同时淡紫紫孢菌能产生一些活性代谢物质达到抑菌效果,其产生的分生孢子也能抑制病原菌的增长和繁殖。因此,在生产中如果将淡紫紫孢菌制成复合菌剂
[24],这种菌剂既有生物肥料的促进生长作用,又可以很大程度上减少病原菌的毒害作用,为农业生产种植将带来巨大的经济效益。不仅如此,淡紫紫孢菌容易培养,可将一些生物发酵废弃物这一类 “资源”转化为自身的高效培养基
[12],对经济和生态可持续发展带来益处。因此,可以说淡紫紫孢菌作为生防真菌具有很大的发展潜能和良好的市场前景。