张 娜,郑香香,于晋泽,阎瑞香,关文强,*
(1.国家农产品保鲜工程技术研究中心,天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室,天津 300384;2.天津市食品生物技术重点实验室,天津商业大学,生物技术与食品科学学院,天津 300134)
映霜红桃(Prunuspersica(L.)Batsch)原名冬雪王桃,是晚熟桃中具有代表性的品种之一,具有晚熟、耐贮藏、个大、优质、丰产等特点[1]。但在采后贮藏过程中易受到褐腐病的侵害,导致桃果实软化腐烂,褐腐病是危害晚熟桃果实产量和品质的重要病害之一。褐腐病又名菌核病,是由核盘菌属(Sclerotinia)、链核盘菌属(Monilinia)、丝核属(Rhizoctonia)和小菌核属(Sclerotium)等真菌引起的,多在桃、杏、李、樱桃、梅等核果类果树上发作[2],可危害花、叶及枝梢,但主要危害果实,具有潜伏感染性;受潜伏侵染的果实可以不表现症状,也可以在表面出现暗色或褐色的小瘢痕,部分受潜伏侵染的果实在开始成熟时会腐烂[3],或者在果实采后运输、存储期间由于环境温度波动、机械损伤等原因导致病害的发生,果实大面积腐烂。不同地区、不同果园导致病害发生的病原菌并不一致,因此有必要对已经发生病害果园的致病微生物进行准确的病原菌分离鉴定,以利于控制病原菌的危害。
目前关于晚熟桃褐腐病的病原菌鉴定、病害发生流行规律及防治措施等均未见报道,为病害的防治带来了较大的困难,该病害已经成为制约晚熟桃产业发展的一大障碍。晚熟桃果实一旦发生褐腐病往往在冷库贮藏期间腐烂率就能达到15%,而出库后由于温度升高,5 d内平均腐烂率就高达60%。目前真菌病害的控制主要通过使用杀真菌剂(如苯菌灵、异菌脲等)来控制采后病害的发生,减少果实的腐烂和延长贮藏期[4]。然而,消费者越来越关注化学残留物带来的健康问题,以及杀菌剂的滥用造成许多真菌对常用杀菌剂产生了抗药性,因此,绿色安全的生物防治作为一种有效的替代方案受到越来越多的关注。大量的研究表明,芽孢杆菌能够较好的控制采后水果的多种疫病,如苹果霉心病[5]、柑橘青霉病[6]、香蕉炭疽病[7]、苹果梨青霉病、黑斑病[8],金花梨果腐病[9]等,但对于晚熟桃的采后褐腐病的研究相对较少,因此研究利用芽孢杆菌来控制褐腐病对晚熟桃产业的发展具有重要意义。
本文针对“映霜红”晚熟桃褐腐病的发生,采用传统形态学分类法和18S-rDNA分子生物学方法对晚熟桃褐腐病的病原菌进行分离鉴定,并利用筛选出的四种对采后蒜薹灰霉病具有显著抑制效果[10]的芽孢杆菌(HB-2、B001、B579、B1),采用有伤接种法在不同时间段对晚熟桃褐腐病进行预防,以期为晚熟桃褐腐病的采后生物防治提供理论依据和技术支撑,促进生态农业的健康发展。
晚熟桃 品种“映霜红”,采收后立即运往国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津)实验库中,采用0.03 mm PE保鲜袋包装,采摘于山东省济宁京信农产品专业合作社联合社;拮抗芽孢杆菌:菌种HB-2(Bacillusamyloliquefaciens)、B001(Bacillussubtilis)、B579(Bacillussubtilis) 天津市植物保护研究所;芽孢杆菌B1(Bacillusamyloliquefaciens) 本实验室保存菌种;肉汁胨培养基(NA)、马铃薯葡萄糖培养基PDA培养基 北京奥博星生物技术有限责任公司;SK8259真菌提取试剂盒、NS1、NS6 生工生物工程(上海)有限公司;无水乙醇、生理盐水、打孔器(直径6 mm)、干燥器 天津市江天统一科技有限公司。
SW-CJ.1BV微生物操作台 上海康为医疗科技发展有限公司;LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂;BX51显微镜 OLYMPUS;SPX-250-C智能型恒温恒湿培养箱 上海琅宣实验设备有限公司;DYY-5稳压电泳仪 北京六一仪器厂;3730XL测序仪 Applied Biosystem,2720 thermal cycler PCR仪 Applied Biosyetems;FR980凝胶成像仪 上海复日科技仪器有限公司。
1.2.1 桃果实褐腐病病原菌的分离纯化 参考文献[11]分离甜樱桃致病菌的方法,将晚熟桃放在恒温高湿条件下(20 ℃,95% RH)加快其发病。用接种针直接挑取桃果实表面菌丝(分生孢子堆),将其接种到PDA培养基上,恒温培养箱中培养(26 ℃)。依据常规组织分离法获得感病组织,即从发病果实的病健交界处果肉组织进行分离,切取距果实病斑5 mm处的组织,依次采用70%的乙醇、1.0%的次氯酸钠浸泡30 s,再用灭菌水清洗3次,滤纸吸干,植入PDA培养基中,26 ℃下培养。当上述菌落直径生长至1 cm时,用接种针挑取菌丝尖端植入另一PDA培养基中。重复上述操作2~3次即可作为纯化菌种转入冻存管中,4 ℃冰箱保存备用。
1.2.2 病原菌形态学特征观察及初步鉴定 将病原菌移接于PDA平板上,26 ℃条件下,12 h光照/12 h黑暗培养。记录菌落形态特征,并测量其大小。在光学显微镜下观察培养病原菌的分生孢子和分生孢子梗形态。并根据病原菌的产孢特征及其在PDA培养基上的形态特征,参照《真菌鉴定手册》[12]、《真菌分类学》[13]方法进行病原菌鉴定。
1.2.3 病原菌致病性的测定 将已经纯化后的病原菌菌饼(直径6 mm)回接晚熟桃果实表面和果蒂处,分别采用有伤和无伤两种方式接种病原菌,通过观察病斑发展速度和发病程度,判断菌种致病能力。有伤接种采用接种针在桃果实的两侧各集中刺破5个孔(伤口直径约5 mm),伤口处接种病原菌菌饼;无伤接种时直接将病原菌菌饼接种在桃果实表面。每个处理10个果实,置于干燥器中,室温下培养(18~25 ℃)。记录病斑发病个数和直径,并计算发病率,发病率(%)=(接种菌饼总个数-未发病个数)/接种菌饼总个数×100。
1.2.4 分子生物学鉴定
1.2.4.1 基因组DNA提取 从已经纯化好的培养基上直接刮取菌丝放入1.5 mL灭菌离心管中,按照SK8259(真菌)试剂盒的操作步骤进行基因组DNA的提取,利用0.8%琼脂糖凝胶电泳法检测DNA。提取的DNA定量后稀释,作为PCR反应的模板。
1.2.4.2 PCR扩增 采用真菌通用引物NS1和NS6进行PCR扩增。25 μL PCR反应体系包括NS1和NS6引物各0.5 μL,dNTP(2.5 mmol/L)1 μL,模板DNA溶液0.5 μL,10×Buffer(with Mg2+)2.5 μL,酶0.2 μL,超纯水19.8 μL。反应程序为:94 ℃预变性4 min;94 ℃变性45 s,55 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,30个循环;72 ℃延伸10 min。反应结束后,在1.0%琼脂糖凝胶上(150 V、100 mA)电泳20 min,用凝胶成像仪进行拍照。PCR产物电泳条带切割所需DNA目的条带,PCR产物用PCR引物直接测序。
1.2.4.3 序列比对 将测定的基因序列运用GenBank 核酸数据库中的BLAST 工具软件,在DNA 序列数据库中搜索同源DNA 序列并进行比较分析,根据BLAST 搜索和比较的结果,判断所获菌株的种类或其近缘的物种。
1.2.5 四种芽孢杆菌对病原菌的体内抑制 用70%乙醇对晚熟桃表面进行消毒,无菌水冲洗,自然干燥。分别在桃果实阳面、阴面用无菌牙签刺破伤口,每个伤口直径3~4 mm,深2~3 mm,用灭菌滤纸将伤口处的多余的果实汁液吸干,然后滴加30 μL拮抗菌发酵液(2.5×109cfu/mL),对照组滴加无菌水。分别于第0、1、2 d在已加完拮抗菌发酵液的伤口处接种病原菌菌饼(由打孔器获得的菌饼直径即为接种量,26 ℃培养3 d;直径6 mm),同期以加完无菌水的伤口接种病原菌菌饼做对照。处理后的桃果实置于15 ℃下贮藏。分别在接种病原菌3、6 d后用游标卡尺测量病斑的横径和纵径,按照椭圆形的面积公式计算病斑面积,并计算抑制率。病斑抑制率(%)=(S对照组-S处理组)/S对照组×100。每个处理设5次重复,每个重复有15个桃。实验重复3次。
1.2.6 品质指标的测定 分别在接种病原菌6 d后测量晚熟桃部分营养品质指标,取样时,避开伤口部位。硬度采用质构仪进行测定,对桃果实沿果实缝合线两侧果面带皮穿刺,探头直径为2 mm,探头下压距离为10 mm,测试速度为2 mm/s;可溶性固形物含量采用手持糖度计测定;可滴定酸含量采用国标GB/T1245690的NaOH滴定法测定;维生素C含量采用碘量法测定。
实验数据运用Excel 2003软件处理并绘图,SPSS Statistics 17.0软件采用Duncan多重比较用于数据的差异显著性分析。
桃果实褐腐病在发病初期,果实表面产生小的水浸状褐色圆形病斑,病斑部果肉变褐腐烂,恒温高湿条件下(20 ℃,95% RH)病斑扩散迅速,数日内病斑即可蔓延扩展至全果,使果肉褐变软腐,随后病部表面产生灰白色绒状霉丛(分生孢子梗和分生孢子)。采用接种针直接挑取桃果实表面菌丝分离得到的病原菌与通过常规组织分离法得到的病原菌是同一种病原菌。该病原菌在PDA培养基上的生长速度很快,一般5 d菌落就可以布满整个培养皿。菌落产孢丰富,菌落初期为灰白色,生长后期形成白色绒球状物,气生菌丝发达。但是在培养过程中发现,该病原菌的培养特性、形态学特征不稳定,如图1a和图1b所示,在完全一样的培养条件下,有的菌落边缘不平整,浅裂状,有的菌落则边缘平整,质地均匀;有的菌落同心轮纹较明显,有的菌落同心轮纹则不明显。在显微镜下观察病原菌形态如图1c、图1d所示,分生孢子梗丛生,性孢子串生,球形,直径3~4 μm。这与魏景超的《真菌鉴定手册》和邵力平的《真菌分类学》中关于真菌界子囊菌门(Ascomycota)柔膜菌目(Helotiales)核盘菌科(Sclerotiniaceae)核盘菌属(Sclerotinia)的描述相似。
图1 病原菌在PDA上的生长形态 和显微镜下菌丝及孢子形态Fig.1 The growth-morphology and micro-morphology of pathogenic bacteria
取分离纯化后的病原菌菌饼接种到表面经过消毒的桃果实上,20 ℃条件下培养观察,发现桃果实接种处2 d即会发病,开始时伤口接种处形成浅褐色病斑,病斑处果肉变软,沿伤口处凹陷发黄,表面有少量菌丝生长,5 d时,约有1/2的果面变褐、发软,并长有灰白色绒状菌丝。该症状与桃褐腐病的自然发病症状一致,通过对发病率和病斑直径的调查表明,该病原菌具有较强的致病性,在20 ℃条件下,5 d时病斑直径扩展6.05~10.69 cm,并且无论在果面还是果蒂有伤接种发病率均为100%,无伤接种果面的发病率高于果蒂发病率。整体来说,有伤接种致病性高于无伤接种。
2.3.1 基因组DNA的提取及PCR扩增 褐腐病病原菌菌株的DNA提取采用SK8259(真菌)试剂盒操作,通过琼脂糖凝胶电泳分析,试剂盒提取的样品菌株的基因组DNA条带清晰,可以用于下一步的PCR。以NS1、NS6为引物,经PCR扩增,得到的产物条带特异性好,扩增的产物大小约为1300~1500 bp之间(图2)。
表1 病原菌扩增序列结果对比表Table 1 The contrast table of pathogen amplification sequences
图2 PCR产物电泳图Fig.2 The electrophoregram of PCR products
图3 拮抗菌B001、B1、B579、HB-2对桃褐腐病的预防效果Fig.3 The prevention effect of antagonistic Bacillus B001,B1,B579,HB-2 on peach brown rot注:不同小写字母表示同一贮藏天数下,不同组间差异显著(p<0.05)。
2.3.2 rDNA-ITS序列测定与比对 将扩增得到的褐腐病病原菌菌株的ITS PCR产物进行纯化和测序,得到的序列与GenBank上的已知序列进行BLAST比对。具体结果如表1所示,通过将该病原菌的ITS序列与GenBank中已有的相关菌株的ITS序列进行同源性比较,表明该病原菌序列分别与核盘菌(CP017820.1)和核盘菌D2(KT454401.1)的同源性均达到99%,也就是说晚熟桃上分离的褐腐病病原菌属于真菌界子囊菌门(Ascomycota),柔膜菌目(Helotiales),核盘菌科(Sclerotiniaceae),核盘菌属(Sclerotinia)。
芽孢杆菌在自然界中广泛存在,其营养简单、生长快,能忍受极端的外部环境而长期存活,是一种理想的生防微生物[14-15],并且在水稻[16]、小麦[17]、黄瓜[18]、辣椒[19]等农作物的采前病害的防治上显现出很好的效果。本文中分离得到的晚熟桃褐腐病病原菌的致病性很强,常温下5~7 d就能够造成果实大部分腐烂,因此本文采用四种芽孢杆菌对其进行生物防治,以期为晚熟桃采前采后病害防治提供技术支撑。
桃果实接种褐腐病病原菌之后,随着贮藏时间的延长,病斑逐渐增大。使用四种芽孢杆菌对其进行预防实验时,大部分处理均能够抑制褐腐病病斑扩展,具体结果如图3所示。贮藏3 d时,拮抗菌B001提前预防天数对褐腐病病斑扩展的抑制率具有显著性差异(p<0.05),贮藏6 d时,提前1 d和2 d预防显著好于0 d预防(p<0.05),与对照相比0 d预防加速了褐腐病病斑的扩展;拮抗菌B1所有预防处理对褐腐病病斑扩展都有很好的抑制作用,其中提前1 d预防处理对褐腐病病斑扩展的抑制率显著好于其他两组(p<0.05);拮抗菌B579与B1一样,所有预防处理对褐腐病病斑扩展都有很好的抑制作用,但平均抑制率高于B1菌,从贮藏3 d时实验结果来看,提前0、1、2 d预防处理这三组之间差异显著,贮藏6 d时提前1、2 d预防处理之间差异不显著但抑制率显著高于0 d预防处理;拮抗菌HB-2提前1、2 d预防处理显著好于提前0 d预防处理,提前0 d预防处理对晚熟桃褐腐病病斑的扩展没有抑制作用,甚至在贮藏前期加速了病斑的扩展(p<0.05)。综上所述,四种芽孢杆菌除了个别处理均能够显著抑制晚熟桃采后褐腐病病斑的扩展速度,其中提前1、2 d预防处理好于提前0 d预防处理,这说明四种芽孢杆菌对晚熟桃核盘菌病原菌具有较强的活体抑制作用。
芽孢杆菌抑菌的作用机制多种多样,主要包括竞争作用、拮抗作用、溶菌作用、诱导植物产生抗性及促进植物生长5个方面[20-22]。分析本文中芽孢杆菌抑制机理可能是由于预防处理接种的芽孢杆菌能在晚熟桃上提前繁衍和定殖,形成竞争优势,从而抑制了后来接种的褐腐病病原菌的生长。不过实验中发现不同的芽孢杆菌提前预防天数对褐腐病的抑制效果也具有一定的差异性,这可能与不同芽孢杆菌在果实活体上的生长特点,以及对褐腐病的抑制能力不同所致,具体原因还需进一步的研究及验证。
晚熟桃贮藏过程中品质逐渐下降,尤其是感染褐腐病之后品质下降更为明显。接种病原菌后贮藏6 d时对晚熟桃品质进行测定结果如表2~表5所示,四种芽孢杆菌提前1、2 d预防处理组的晚熟桃VC含量,除了B1提前2 d预防处理组,均显著高于对照组(p<0.05),尤其是提前2 d预防时,对照组VC含量下降到(2.64±0.22) mg/100 g,而B579处理组VC含量为(4.10±0.34) mg/100 g;四种芽孢杆菌提前1、2 d预防处理组的晚熟桃可溶性固形物含量,均显著高于对照组(p<0.05),HB-2提前2 d预防可溶性固形物含量为(13.17±0.11) mg/100 g,对照组可溶性固形物含量为(8.46±0.71) mg/100 g;四种芽孢杆菌提前2 d预防处理有利于抑制晚熟桃可滴定酸含量的下降,其他两组处理对可滴定酸含量的影响与对照相比没有显著性差异,提前2 d预防时,B579处理组可滴定酸含量是对照组的1.40倍;四种芽孢杆菌,除了HB-2同时接种褐腐病提前0 d处理外,预防处理组都能够显著抑制晚熟桃硬度的降低(p<0.05),B579提前0、1、2 d预防处理组晚熟桃的硬度分别是对照组的1.33、1.49、1.76倍。四种芽孢杆菌提前预防处理对晚熟桃品质保持产生一定的积极作用,这主要是由于提前预防处理能够有效抑制褐腐病病斑的扩展,进而保证了晚熟桃的品质。这与刘璐[23]、肖嫩群[24]等的研究认为芽孢杆菌能够提高果蔬的产量和品质的研究相一致。
表2 四种芽孢杆菌不同时间预防处理 对晚熟桃VC含量的影响Table 2 Effect of four species of Bacillus prevention deals time on VC content of peach
注:同列中不同小写字母表示差异显著(p<0.05);表3~表5同。
表3 四种芽孢杆菌不同时间预防处理 对晚熟桃可溶性固形物含量的影响Table 3 Effect of four species of Bacillus prevention deals time on soluble solids content of peach
表4 四种芽孢杆菌不同时间预防处理 对晚熟桃可滴定酸含量的影响Table 4 Effect of four species of Bacillus prevention deals time on titratable acid content of peach
表5 四种芽孢杆菌不同时间预防处理对晚熟桃硬度的影响Table 5 Effect of four species of Bacillus prevention deals time on hardness of peach
通过对晚熟桃果实贮藏期褐腐病病原菌的分离、鉴定,首次发现核盘菌属(Sclerotinia)病原菌能够导致晚熟桃果实贮藏期的腐烂。在实验中多次重复回接过程中发现,该病原菌对晚熟桃的侵染力很强,有伤和无伤接种,均可侵染,且伤口越大侵染发病越快,越重;通过病原菌形态学鉴定和18S-rDNA相结合的手段,明确了晚熟桃采后褐腐病病原菌为子囊菌门(Ascomycota),柔膜菌目(Helotiales),核盘菌科(Sclerotiniaceae),核盘菌属(Sclerotinia),这为进一步研究该病害的流行和防治提供了科学依据。
本研究中所采用的四种芽孢杆菌B001、B1、HB-2、B579在晚熟桃活体接种实验中对褐腐病均具有较好的抑菌效果,B579所有处理整体上对晚熟桃褐腐病病斑扩展的抑制率最大,抑制效果最为明显,其中B001提前1 d和2 d预防显著好于0 d预防(p<0.05);B1提前1 d预防处理对褐腐病病斑扩展的抑制率显著好于其他两组(p<0.05);B579提前1、2 d预防处理对褐腐病的抑制率显著高于0 d预防处理;HB-2提前1 d预防显著好于其他两组(p<0.05)。同时四种拮抗菌对于晚熟桃的VC含量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、硬度的降低均表现出较好的抑制作用。本研究能够为晚熟桃采后病害的生物防治提供技术支撑,促进晚熟桃产业的发展。
本研究是在外部环境稳定的条件下,通过接种病原菌的方式来研究拮抗菌对少量单个晚熟桃褐腐病的抑制作用,但是对于在自然环境下,受外部环境的影响,能够导致晚熟桃采后腐烂的病原菌并不是唯一的,同时拮抗菌的处理方式也要有所不同,那么这些因素是否会对拮抗菌的抑菌能力产生影响,都仍需进一步研究验证。
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