柳 莉,郭长辉,吕 卉,古丽君,李春杰
(草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州730020)
内生真菌对醉马草白粉病抗性的影响
柳 莉,郭长辉,吕 卉,古丽君,李春杰*
(草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州730020)
为研究内生真菌对醉马草白粉病抗性的影响,在温室条件下,对自然发生不同程度白粉病(健康、轻度感病和重度感病植株)的带内生真菌(E+)和不带内生真菌(E-)的醉马草植株的发病率、病叶率、病情指数及各项生理生化指标进行测定。结果表明,E+醉马草的发病率48%显著低于E-醉马草的发病率97%(P<0.05),E+的病叶率60%显著低于E-醉马草病叶率86%(P<0.05),E+醉马草的病情指数为50.76,E-醉马草的病情指数为82.49;通过各项生理生化指标的测定发现与健康植株相比,在轻度和重度发病植株中,内生真菌的存在可以显著(P<0.05)提高醉马草叶片的叶绿素含量和脯氨酸含量,E+醉马草的SOD酶活性和POD酶活性也显著高于E-醉马草,同时内生真菌显著地降低了醉马草叶片中丙二醛(MDA)的含量。据此说明内生真菌的存在能够提高醉马草抗白粉病的能力。
醉马草;白粉病;内生真菌;抗病性
醉马草(Achnatherum inebrians)系禾本科(Poaceae)芨芨草属(Achnatherum)多年生草本植物,主要分布在我国新疆、甘肃、青海、西藏、内蒙古、宁夏等省区[1]。禾草内生真菌是一类在宿主植物体内度过全部或大部分生命周期而宿主植物不表现外部症状的真菌[2],禾草中的内生真菌一般是指Epichloё属及其无性Neotyphodium属的真菌,根据最新国际真菌命名规则,现统一称为Epichloё内生真菌[3]。研究表明[4-9]内生真菌能提高醉马草的抗虫、抗病、耐旱、耐盐碱、耐寒、耐重金属毒害、耐涝等抗逆性。
白粉病是一种真菌性病害,寄主范围广,为害严重,已有研究证明白粉菌(Blumeria graminis)可感染羽茅(A.sibiricum)、冰草(Agropyron cristatum)、疏花冰草(A.pauciflorum)、野燕麦(Avena fatua)、燕麦(A.sativa)、日本短柄草(Brachypodium japonicum)、雀麦属(Bromus)、鸭茅(Dactylis glomerata)、披碱草(Elymus dahuricus)、老芒麦(E.sibiricus)、偃麦草(Elytrigia repens)、黑麦(Secale cereale)、野黑麦(S.sylvestre)、堇色早熟禾(Poa ianthina)、毛叶鹅观草(Roegneria amurensis)等48种禾本科草类植物[10]。李春杰等[11]2003年首次报道了醉马草白粉病。
有关Epichloё内生真菌提高禾草抗病性的研究,国外对于羊茅属[12-13](Festuca)、黑麦草属[14](Lolium)、雀麦属[15]有数篇研究报道。我国Nan和Li[16]对冰草、圆柱披碱草(E.cylindricus)和紫羊茅(F.rubra)内生真菌抗病性进行过报道。马敏芝和南志标[17]2011年对黑麦草(L.perenne)内生真菌抗锈病(Puccinia graminis)进行了研究。Tian等[18]对黑麦草内生真菌与几种病原菌的互作进行了研究。有关内生真菌对醉马草抗病性的影响,Li等[19]报道了醉马草内生真菌与病原菌的互作。杨松等[20]研究了内生真菌醉马草的提取液对细交链孢Alternaria alternata)、根腐离蠕孢(Bipolaris sorokiniana)、燕麦镰孢(Fusarium avenaceum)和绿色木霉(Trichoderma viride)的菌落生长、孢子萌发率和芽管生长的作用。有关内生真菌和白粉病对醉马草影响的研究报道较少,国内Li等[5]仅对室外条件下醉马草的发病率进行了统计。然而,内生真菌与醉马草白粉病互作对其生理的影响尚未见报道。本研究主要通过测定被白粉菌感染的带内生真菌(E+)和不带内生真菌(E-)醉马草的发病率、病叶率、病情指数及叶绿素含量、SOD活性、POD活性、Pro含量、MDA含量等指标,比较E+和E-醉马草在白粉病胁迫下的生理生化变化特征,为内生真菌-醉马草共生体抗病性评定和抗逆种质筛选的研究奠定基础。
1.1 材料
带内生真菌(Epichloёgansuensis,E+)和不带内生真菌(E-)的醉马草种子由兰州大学草地保护所提供,2014年6月23日将E+和E-醉马草种子播种于16 cm(上口径)×12 cm(下口径)×10 cm(高)的花盆中,在兰州大学榆中校区智能温室进行常规培养,(22±1)℃,4周后进行带菌[21]检测,建立E+、E-种群,各20盆,每盆6株,等待白粉病自然发生,用于醉马草白粉病试验。
1.2 方法
1.2.1 白粉病调查及抗病性鉴定 2014年8月25日对E+、E-醉马草发病株数进行统计并计算发病率。根据实际情况及禾草白粉病分级标准[22]进行分级:0级为健康植株,1~2级为轻度发病植株,3~4级为重度发病植株。此外,对E+、E-植株统计发病叶数,计算病叶率。以叶片为单位,进行病情指数计算。
发病率(病株率)=(发病植株数/总植株数)×100%
病叶率=(每株发病总叶数/植株总叶数)×100%
病情指数=100×∑(各级病叶数×各级代表值)/(调查总叶数×最高级代表值)
1.2.2 生理生化指标测定 统计完发病率,根据病情指数及分级标准,随机选取健康植株、轻度发病植株和重度发病植株各4盆进行生理指标测定,采用丙酮浸提法[23]测定叶绿素含量,氮蓝四唑法和愈创木酚法[23]测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和过氧化物酶(peroxidase,POD)活性,磺基水杨酸法和硫代巴比妥酸法[23]测定丙二醛(malondialdehyde,MDA)和脯氨酸含量(Proline,Pro)。
1.3 统计分析
采用一般线性模型中单变量多因素方差分析,比较各因素及因素间的交互作用。对E+/E-相同感病程度下的不同生理指标比较采用单因素方差分析,而E+/E-间比较采用独立样本T检验。如果方差不齐使用log10转化实现方差齐性检测。数据分析均采用SPSS 17.0软件。
2.1 内生真菌和白粉病对醉马草发病率及病叶率的影响
统计发病率发现,E+的发病率为48%,E-的发病率为97%(图1)。另外,E+的病叶率为60%,E-的病叶率是86%(图2)。无论是植株发病率还是叶片发病率E-都极显著(P<0.01)大于E+。
图1 E+/E-醉马草发病率Fig.1 The incidence of E+/E-A.inebrians
图2 E+/E-醉马草病叶率Fig.2 The disease rate of leaf of E+/E-A.inebrians
2.2 E+、E-醉马草白粉病病情指数
E+醉马草白粉病病情指数为50.76,显著(P<0.05)小于E-醉马草(表1)。
2.3 内生真菌和白粉病对醉马草叶绿素含量的影响
E+、E-醉马草感病植株与健康植株相比,叶绿素含量均下降。其中,轻度发病植株和重度发病植株中E+、E-醉马草叶绿素含量存在极显著差异(P<0.01),E+、E-醉马草轻度发病植株与健康植株相比,叶绿素含量分别下降了33.19%和42.22%。E+、E-醉马草重度发病植株叶绿素含量比轻度发病植株叶绿素含量分别下降28.72%和41.38%,E+植株的叶绿素含量极显著(P<0.01)高于E-植株(图3)。
表1 E+、E-醉马草白粉病病情指数Table 1 The disease index of powdery mildew between E+and E-A.inebrians
2.4 内生真菌和白粉病对醉马草MDA含量的影响
E+、E-醉马草感病植株与健康植株相比,MDA的含量都有所上升;E+、E-的健康植株中MDA含量无显著性差异(P>0.05);而轻度发病植株和重度发病植株中MDA的含量都存在极显著差异(P<0.01),且感病越严重,MDA含量越高。E+、E-轻度发病植株的MDA含量与健康植株相比,分别高出21.55%和41.46%。E+、E-重度发病植株的MDA含量与轻度发病植株相比,分别高出23.08%和11.60%(图4)。
图3 E+/E-醉马草不同发病植株叶绿素含量Fig.3 The chlorophyll content of different severity plant for E+/E-A.inebrians
图4 E+/E-醉马草不同发病植株MDA含量Fig.4 The MDA content of different severity plant for E+/E-A.inebrians
2.5 内生真菌和白粉病对醉马草Pro含量的影响
E+、E-醉马草感病植株与健康植株相比Pro含量上升,E+、E-的健康植株中Pro含量无显著性差异(P>0.05),轻度发病植株中,E+醉马草植株的Pro含量高于E-植株,存在显著差异(P<0.05);重度发病植株中,E+植株Pro含量高出于E-植株26.42%,存在极显著差异(P<0.01)(图5)。
2.6 内生真菌和白粉病对醉马草SOD酶活性的影响
E+、E-醉马草感病植株与健康植株相比,SOD活性都有所上升,且轻度发病植株SOD活性比重度发病植株SOD值大,E+醉马草轻度发病植株SOD活性值高出E-22.63%,存在极显著差异(P<0.01),E+、E-醉马草健康植株和重度发病植株的SOD活性之间无显著性差异(P>0.05)(图6)。
图5 E+/E-不同发病植株脯氨酸含量Fig.5 The proline content of different severity plant for E+/E-A.inebrians
图6 E+/E-不同发病植株SOD酶活性Fig.6 The SOD activity of different severity plant for E+/E-A.inebrians
2.7 内生真菌和白粉病对醉马草POD酶活性的影响
E+、E-醉马草感病植株与健康植株相比,POD活性都有所上升,且轻度发病植株POD活性比重度发病植株POD值大,E+、E-醉马草轻度发病植株与重度发病植株的POD活性相比分别升高33.15%和26.53%,都存在显著差异(P<0.05),E+、E-醉马草健康植株的POD活性之间无显著性差异(P>0.05)(图7)。
本研究首次揭示了温室条件下内生真菌对感染白粉菌醉马草的发病率、病叶率、病情指数及其生理指标的影响。结果表明,E+醉马草的发病率、病叶率和病情指数显著低于E-醉马草。Li等[5]对室外条件下醉马草白粉病的发病率进行了统计,结果表明,2004年土壤相对含水量为30%和50%时,E+、E-醉马草白粉病发病率无显著差异,而2005年当土壤相对含水量为50%时,E+醉马草的发病率显著低于E-醉马草(P<0.05),这有可能是因为室外条件下温度及其他环境条件不同导致发病率有差异。本研究为白粉病的发生,在温室条件下每两天浇一次水,土壤相对含水量较高,说明高湿环境有利于白粉病的发生,这与李春杰的研究结果一致。前人有关带内生真菌禾草抗病性的研究也较多,West等[12]研究表明田间条件下E+高羊茅(F.arundinacea)的抗冠锈病能力高于E-高羊茅。新西兰的学者研究发现,高羊茅的内生真菌对高羊茅幼苗抗冠锈病(P.coronata)和秆锈病(P.graminis)有一定的作用[13]。Wheatley等[14]研究表明,E-黑麦草比E+黑麦草易感染由核腔菌(Pyrenophora lolii)引起的叶斑病(P.semeniperda)。Vignale[15]在研究雀麦(B.japonicus)内生真菌黑穗病(Ustilago bullata)时也得出带内生真菌的雀麦黑穗病发病率比不带内生真菌的低39%。谢凤行等[24]在研究内生真菌对草坪草病原菌的抑制作用中得出从野生牧草羽茅及栽培种高羊茅中分离出的内生真菌对草坪草病原菌有抑制作用。古燕翔等[25]对E+高羊茅和E-高羊茅接种新月弯孢霉(Curvularia lunate)病原菌后比较叶斑病的发病情况,结果表明E+高羊茅叶斑病发病率显著(P<0.05)低于E-高羊茅。
光合作用为植物提供约95%的干物质,而叶绿素是植物进行光合作用的主要色素[26]。当植物受到病原菌的侵入时叶绿体会解体,当发病严重时叶绿素的合成也会受阻,会出现叶片褪绿、黄化、出现黄色斑点等一系列症状,叶绿素作为植物光合作用的主要色素,含量的高低能够反映植物的抗病性强弱[27]。本研究发现,随着醉马草植株感病的严重,无论是E+还是E-的叶片叶绿素含量都显著下降(P<0.05),并且E-感病植株的叶绿素含量比E+感病植株的叶绿素含量下降更快,曹学仁等[28]在小麦白粉病的研究中也得出叶绿素含量随感病程度下降的结论;本研究表明内生真菌的存在对醉马草感病后叶绿素含量的下降起到了一定的抑制作用,同时表明,内生真菌与醉马草共生对白粉病有一定的抗性,马敏芝和南志标[17]的研究证明内生真菌能提高黑麦草抗锈病的能力。
MDA是膜质过氧化作用的终产物,它的含量高低是过氧化程度的一个重要标志[29],并且细胞膜的稳定性可以判断植物的抗逆性强弱[30]。本研究表明,E+、E-醉马草植株在受白粉菌侵染后MDA含量都上升,并且随感病程度的加重,E+醉马草MDA含量的增加比率低于E-植株,这表明宿主在感病初期,E+植株比E-植株细胞受到的伤害低。所以,在白粉菌侵染时,MDA的含量可以作为评价醉马草抗病性高低的一个指标。研究[31-32]表明,植物受到胁迫时,Pro的积累通过保护膜系统、维持细胞内酶的结构和减少细胞蛋白质的降解从而减少植物受害。本研究表明,与健康植株相比,感病植株的Pro含量上升,并且轻度感病植物的Pro含量大于重度感病植株,E+植株的Pro含量高于E-植株,Zhang等[33]在醉马草抗虫研究也得到相似的结论。
图7 E+/E-不同发病植株POD酶活性Fig.7 The POD activity of different severity plant for E+/E-A.inebrians
研究表明,植物在正常状态下体内由于存在活性氧清除酶系统(SOD、POD和CAT等),从而使得活性氧处于平衡状态[34],当植物受到胁迫后,体内的活性氧含量会升高,从而导致植物蛋白和膜质的非特异性氧化[17]。本研究中,感病植株与健康植株相比较,SOD活性和POD活性显著升高(P<0.05),并且E+植株的SOD活性和POD活性显著(P<0.05)高于E-植株,韩荣等[35]在对干旱胁迫下内生真菌感染羽茅的研究也得出一致的结论,说明在生物胁迫或非生物胁迫下,内生真菌可通过诱导植物产生清除氧自由基的保护酶,减少细胞受害,从而提高植物的抗逆性。
综上所述,本研究表明,内生真菌与醉马草共生可以提高宿主植物抗白粉病的能力,为进一步研究其抗病机理和抗病禾草品种选育奠定基础。
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Effects of the Epichloёgansuensis endophyte on the disease resistance of drunken horse grass to powdery mildew
LIU Li,GUO Chang-Hui,LV Hui,GU Li-Jun,LI Chun-Jie*
State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems,College of Pastoral Agriculture Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730020,China
Previous studies have shown that endophytes can increase the resistance of drunken horse grass(Achnatherum inebrians)to many stresses,such as insects,diseases,waterlogging,drought,salt,and heavy metals.The aim of this study was to compare the resistance of endophyte-infected(E+)and endophyte-free(E-)drunken horse grass to powdery mildew(Blumeria graminis).Forty pots of drunken horse grass(20 E+plants and 20 E-plants)were grown in a greenhouse.After 2 months,the natural infection rates,the percentage of diseased leaves,and the disease indexes of powdery mildew in both E+and E-plants were estimated and recorded.At the same time,the E+and E-drunken horse grass plants were scored as healthy,slightly diseased,or severely diseased based on a disease index.Then,four replicates of E+and E-plants were randomly selected to measure several physiological indexes;chlorophyll content,activities of superoxide dismutase(SOD)and peroxidase(POD),and the contents of malondialdehyde(MDA)and proline(Pro).Chlorophyll content was measured by acetone extraction,SOD and POD activities were evaluated using nitroblue tetrazoli-um and guaiacol assays,respectively,and MDA and Pro contents were determined using the sulfosalicylic acid and glucosinolate barbituric acid methods,respectively.The disease infection rate,the percentage of diseased leaves,and disease indexes of E-plants were 97%,86%,and 82.49,respectively,significantly higher(P<0.05)than their respective values in E+plants(48%,60%,and 50.76).The chlorophyll and proline contents and SOD and POD activities were higher in E+plants than in E-plants,regardless of whether the plants were slightly or severely infected.The MDA content was significantly(P<0.05)lower in E+plants than in E-plants.These results provide evidence that endophyte infection can increase the resistance of drunken horse grass to powdery mildew disease.
Achnatherum inebrians;powdery mildew;Epichloё;disease resistance
10.11686/cyxb2014471 http://cyxb.lzu.edu.cn
柳莉,郭长辉,吕卉,古丽君,李春杰.内生真菌对醉马草白粉病抗性的影响.草业学报,2015,24(11):65-71.
LIU Li,GUO Chang-Hui,LV Hui,GU Li-Jun,LI Chun-Jie.Effects of the Epichloёgansuensis endophyte on the disease resistance of drunken horse grass to powdery mildew.Acta Prataculturae Sinica,2015,24(11):65-71.
2014-11-13;改回日期:2015-01-14
国家973计划课题(2014CB138702),国家自然科学基金项目(31372366),教育部创新团队发展计划项目(IRT13019)和中央高校基本科研业务费专项基金(861615)资助。
柳莉(1987-),女,甘肃白银人,在读硕士。E-mail:lliu13@lzu.edu.cn
*通讯作者Corresponding author.E-mail:chunjie@lzu.edu.cn