周丽荣,张玲玲,熊诗洁,马佳伟,朱永兴,孙 冲,朱学栋,刘奕清,*
(1.长江大学园艺园林学院,湖北 荆州 434025;2.重庆文理学院园林与生命科学学院(特色植物研究院),重庆 402160;3.重庆市渝东南农业科学院,重庆 408000)
生姜枯萎病是生姜种植过程的重大病害之一,给生姜种植农户造成重大经济损失,通常达30%~50%,甚至减产绝收[1]。生姜枯萎病的病原菌是尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporum),它会危害棉花、果树、中药材等多种经济作物,引起植物发黄、枯萎甚至死亡[2-3]。尖孢镰刀菌以休眠的卵孢子、游动孢子和孢子囊的形式在土壤中长时间存在,在雨水和灌溉条件下,它可通过游动孢子、菌丝碎片等方式逐渐传播到邻近的田块[4]。生姜枯萎病常用化学杀菌剂防治,会造成农药污染以及食品安全问题等[5]。因此,亟需开发环境生态友好和经济上可行的替代生物抑菌剂,如植物提取物、挥发性有机化合物、树脂等作为杀菌剂的替代品治疗枯萎病[6-9]。
植物源提取物杀菌剂的研发是绿色防控蔬菜病虫害关注热点与发展方向。有研究表明,从植物中提取的萜烯类、酚类、生物碱、类黄酮、多糖和甾体等天然化学物质,具有抗菌、抗病毒、杀虫等特性[10]。刘耀华等[11]研究发现,香茅精油对番茄早疫病菌有很好的抑制效果,并有开发为新型植物源杀菌剂的潜力。芳樟醇是一种典型的挥发性有机化合物,对抑制致病菌起着重要作用[12-13]。在农作物生产领域,芳樟醇对多种病原微生物的抑菌作用已经被证实。高文腾[14]研究发现,芳樟醇对辣椒疫霉菌、烟草疫霉菌、大豆疫霉菌均有较好的抑制效果。王启方等[10]研究发现,芳樟醇可直接抑制灰葡萄孢生长,并诱导植株的防御反应。然而,目前有关芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的抑菌效果鲜见报道,其抑菌机理尚不明确。为明确芳樟醇对生姜枯萎病菌的抑制作用,本实验以芳樟醇和生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌为对象,从芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝生长、孢子浓度、孢子萌发率、菌丝体细胞膜完整性的影响及生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌致病力变化等方面,探究芳樟醇抑制生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌生长发育的作用机制。旨在为利用芳樟醇作为植物源杀菌剂防控生姜枯萎病提供理论依据,同时为生姜枯萎病的生物防控提供新途径。
供试病原菌:生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌株(F.oxysporumFOX-1)由重庆文理学院园林与生命科学学院(特色植物研究院)提供[15]。在PDA培养基上活化后用于后续实验。供试培养基:PDA培养基(马铃薯200 g/L、葡萄糖20 g/L、琼脂18 g/L)、PDB培养基(马铃薯200 g/L、葡萄糖20 g/L)。生姜购自荆州区南湖批发市场,选取生长一致、无病虫害、机械损伤的嫩姜,用体积分数2%的次氯酸钠进行表面消毒,使用前用无菌蒸馏水洗涤。
芳樟醇(纯度>98%)上海麦克林生化科技有限公司;丙二醛(malondialdehyde,MDA)试剂盒、碘化吡啶(pyridine iodide,PI)美国Sigma公司。
THZ-100(THZ-98B)恒温培养摇床 上海一恒科学仪器有限公司;SPX-250BII生化培养箱 宁波海曙赛福实验仪器厂;MHIF2000荧光显微镜 广州市明慧科技有限公司;HUAXI-1B-80冷冻干燥机 上海华玺科学仪器有限公司;SD-3000离子喷金仪 北京博远微纳科技有限公司;JSM-IT200扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)北京创诚致佳科技有限公司;UV-1800紫外分光光度计 日本岛津公司。
1.3.1 生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子悬浮液的配制
生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌活化培养5 d后,用打孔器在菌落边缘打出6 mm的菌饼,将菌饼接种至PDB,在28 ℃、150 r/min恒温培养摇床遮光振荡培养3 d,纱布过滤,制成生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子悬浮液(浓度为1×106spores/mL),以备后续实验使用。
1.3.2 芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝生长影响分析
参考王江来等[16]的方法,采用菌丝生长速率法、十字交叉法和半数有效浓度(median effective concentration,EC50)法检测芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的抑菌效果。用PDA培养基将芳樟醇分别配制为质量浓度0、0.125、0.25、0.5、1、2、4 g/L,倒入直径为90 mm培养皿中,每个培养基的溶液体积为10 mL。以不做任何处理的PDA平板(0 g/L芳樟醇)为空白对照,以加入体积分数30%乙醇溶液的PDA平板为阴性对照,以添加质量浓度为8 g/L百菌清的PDA平板为阳性对照[17]。待平板冷凝后,将生长5 d的生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌饼反接于含药平板中央,倒置培养于28 ℃恒温培养箱中,每隔24 h,用十字交叉法测量各处理菌落直径,共培养5 d。将48 h内完全无菌丝生长的质量浓度作为最小抑菌浓度(minimal inhibitory concentration,MIC)[18]。每组处理设置5 个重复。根据生物统计法对病原菌生长抑制率与芳樟醇质量浓度进行毒力分析,以各处理组芳樟醇质量浓度对数为x轴、菌丝生长抑制率为y轴进行回归分析,求出毒力回归曲线方程、决定系数(R2)和EC50。
1.3.3 芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝体形态影响分析
将1×106spores/mL尖孢镰刀菌孢子悬浮液加入50 mL PDB培养基中,添加芳樟醇,使其终浓度分别为0、1/2 MIC、MIC,在28 ℃、150 r/min恒温摇床遮光振荡培养3 d,收集菌丝。每组处理设5 个重复,参考文献[19]的方法制备样品,样品固定后通过真空冷冻干燥机干燥,离子溅射镀膜机镀膜120 s,所有样品均用SEM观察并拍照。
1.3.4 芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子萌发与活力影响分析
参考孙迪等[20]的方法,将浓度为1×104spores/mL尖孢镰刀菌孢子悬浮液,添加芳樟醇,使其终浓度分别为0、1/2 MIC和MIC,以不做任何处理的尖孢镰刀菌孢子悬浮液(0 g/L芳樟醇)为空白对照,以加入体积分数30%乙醇溶液的尖孢镰刀菌孢子悬浮液为阴性对照,以添加质量浓度为8 g/L百菌清[17]的尖孢镰刀菌孢子悬浮液为阳性对照。于28 ℃黑暗培养6 h,使用血球计数板计数统计卵孢子数量。12 h后在荧光显微镜进行观察,以芽管长于孢子直径一半视为萌发,统计孢子萌发数。每组处理设5 个重复。
菌丝收集方法同1.3.3节,将少量菌丝体放入2 mL的离心管中,加入500 μL PI染色液,在37 ℃的水浴锅中进行10 min遮光染色,用0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(pH 7.2)漂洗3 次,每组处理设5 个重复,在荧光显微镜下进行观察并拍照。
1.3.5 芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌细胞膜完整性影响分析
1.3.5.1 相对电导率测定
参考翁甜等[18]的方法测定生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的胞外电导率。菌丝收集方法同1.3.3节,称取1 g湿菌丝于50 mL离心管中,加入30 mL去离子水重悬浮菌丝,添加芳樟醇使其终浓度为0、1/2 MIC、MIC,使用便携式电导率仪测定0、2、4、6、8、10、12 h生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的胞外电导率L,最后将其煮沸处理10 min后冷却至室温,再次测定电导率L′,初始电导率为L0。每组处理设5 个重复。按式(1)计算相对电导率:
1.3.5.2 MDA含量测定
菌丝处理方法同1.3.5.1节,分别于处理0、3、6、9、12 h后收集不同处理组和对照组的菌丝体,加入提取液,充分研磨,4 ℃、10 000 r/min离心10 min,取上清液,根据MDA试剂盒提供的方法测定生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝体内MDA的含量。每组处理设5 个重复。
1.3.5.3 核酸泄漏量测定
参考翁甜等[18]的方法测定生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的核酸外泄情况。菌丝处理方法同1.3.5.1节,分别于0、2、4、6、8、10、12 h取上清液于12 000 r/min离心10 min后,用紫外分光光度计测定260 nm波长处的吸光度,测定菌丝体核酸的泄漏情况。每组处理设5 个重复。
1.3.6 麦角固醇含量的测定
参考王江来等[16]方法,测定芳樟醇处理后生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌细胞膜上麦角固醇含量。菌丝收集方法同1.3.3节,用无菌水洗涤2 次,记录菌丝净湿质量,每组处理设5 个重复。在85 ℃条件下加入5 mL新鲜制备的质量分数25% KOH-乙醇混合液,皂化菌体4 h。皂化完毕冷却至室温,加入5 mL正庚烷溶液用于提取固醇,剧烈涡旋15 min,并于室温静置分层1 h。上层混合物用于紫外分光光度计检测。每个处理组重复3 次。麦角固醇和固醇中间体24,28-脱氢麦角固醇在230 nm和282 nm波长处会生成特征吸收曲线,按式(2)计算麦角固醇含量:
1.3.7 芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的致病力影响分析
浓度为0、1/2 MIC、MIC芳樟醇溶液喷洒在生姜姜块(3 cm×4 cm×1 cm)上。将姜块分为4 个处理组,分别为阳性对照组(不做任何处理)、阴性对照组(只接种病原菌)、精油治疗组、精油预防组。先接种病原菌(直径为6 mm的生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌饼),24 h后再喷洒芳樟醇,即为精油治疗组;先喷洒芳樟醇溶液,24 h后再接种病原菌,即为精油预防组。每个处理设15 个重复。在28 ℃光照培养箱(12 h光照、12 h黑暗)保湿培养3 d后测量姜块病斑面积并拍照。防治效果按式(3)计算:
采用Excel 2003和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)。利用Origin 2018软件作图。数据以表示。
如图1所示,对照组菌丝在整个培育期间都在持续生长,但芳樟醇含量的增加有效抑制了这种生长现象。8 g/L的百菌清完全抑制了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的生长。
图1 不同质量浓度芳樟醇处理5 d对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝生长的抑制效果Fig.1 Inhibitory effects of linalool treatments at different concentrations on mycelium growth of F.oxysporum FOX-1 cultured for up to 5 days
由表1可知,生长2 d的生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌,芳樟醇处理的MIC为2.0 g/L,EC50为1.183 g/L。用0.125~0.5 g/L芳樟醇处理的菌落直径与对照组相比差异不明显,处理5 d后,抑菌率为(11.33±1.86)%~(18.00±4.51)%,当处理质量浓度提高到1~4 g/L 时,抑菌率达到(49.33±5.40)%~(100.00±0.00)%。结果表明,芳樟醇的抑菌活性与其有效浓度呈正相关。为了消除乙醇的影响,研究了体积分数30%乙醇溶液对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌落生长的影响。结果表明,30%乙醇溶液对菌落生长几乎没有影响(P>0.05)。
表1 芳樟醇处理5 d对尖孢镰刀菌的抑制效果Table 1 Inhibitory effects of linalool treatment for 5 days on F.oxysporum FOX-1
如图2所示,经芳樟醇处理3 d后的生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝体形态发生了巨大的变化。对照处理组的菌丝丰满、结构完整、表面光滑;1/2 MIC处理组菌丝表面出现了轻微的皱纹和凹陷;MIC处理组菌丝表面出现了明显的皱纹和凹陷。这些结果表明,芳樟醇影响了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝的形态,破坏了其内部结构,这很可能是抑制菌丝生长的原因。
图2 芳樟醇处理3 d后生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝形态的扫描电镜观察Fig.2 SEM observation of the mycelial morphology of F.oxysporum FOX-1 after 3 days of linalool treatment
由图3可知,随着芳樟醇质量浓度的提高,生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子萌发受到显著抑制,8 g/L的百菌清与MIC芳樟醇的孢子浓度与孢子萌发率均无显著差异。1/2 MIC与MIC芳樟醇处理生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌6 h其孢子浓度分别为(2.69±0.17)×104spores/mL和(1.43±0.12)×104spores/mL,显著低于对照组((5.79±0.19)×104spores/mL);1/2 MIC与MIC芳樟醇处理枯孢镰刀菌12 h其孢子萌发率分别为(17.21±4.14)%和(5.83±2.16)%,显著低于对照组(95.12±3.78)%。PI是一种荧光染料,不能穿透完整的细胞膜,但可进入受损细胞,与核酸结合产生红色荧光。对照组的菌丝未出现红色荧光,而处理组(1/2 MIC、MIC)的荧光信号以芳樟醇质量浓度依赖性的方式逐渐增加(图4),说明芳樟醇破坏了细胞膜,进一步验证了芳樟醇处理后生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌分生孢子的活力明显降低。
图3 不同质量浓度芳樟醇处理12 h对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子萌发的影响Fig.3 Effects of linalool treatments at different concentrations for 12 h on spore germination of F.oxysporum FOX-1
图4 芳樟醇处理6 h后生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌荧光显微观察表型Fig.4 Phenotype of F.oxysporum FOX-1 after 6 h linalool treatment observed by fluorescence microscope
通过分析相对电导率、核酸含量(OD260nm)、MDA浓度、麦角固醇含量,确定生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌细胞膜的完整性。如图5A所示,CK组电导率在整个处理期都保持在较低水平,而芳樟醇处理组电导率随着时间的延长与质量浓度的增加而提高;芳樟醇处理12 h后,与CK组相比,1/2 MIC与MIC芳樟醇使菌液电导率分别提高了2.3 倍与2.8 倍。细胞渗漏是判断细胞膜损伤的重要指标,CK组核酸含量与MDA浓度几乎没有变化,但是芳樟醇处理后生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝的渗漏明显增加(图5B、C)。芳樟醇处理12 h后,与CK组相比,1/2 MIC与MIC芳樟醇使核酸泄漏量分别提高了3.7 倍与5.7 倍,MDA浓度分别提高了1.3 倍与1.9 倍。麦角固醇是丝状真菌细胞膜的主要固醇成分,其含量的减少也可证实细胞膜受到损伤。与CK组相比,随着芳樟醇质量浓度的增加,麦角固醇含量显著降低(图5D)。芳樟醇处理12 h后,与CK组相比,1/2 MIC与MIC芳樟醇使麦角固醇含量分别降低了9.1%与28.6%。因此,本研究推断芳樟醇诱导菌丝内物质代谢异常,从而阻碍菌丝的生长。
图5 不同质量浓度芳樟醇处理对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌细胞完整性的影响Fig.5 Effects of linalool treatments at different concentrations on cell membrane permeability of F.oxysporum FOX-1
如图6所示,接种3 d后芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的生长具有较好的防治效果。其中,阴性对照无菌丝生长,阳性对照的生姜块上出现明显的菌丝生长,病斑面积为(5.50±0.11)cm2,1/2 MIC芳樟醇处理的生姜块上也有明显的菌丝生长,但与阳性对照组相比,治疗组与预防组的菌丝生长面积分别下降49.6%和67.3%(表2),然而,无论是治疗组还是预防组,经MIC芳樟醇处理后的生姜块上均无菌丝生长(图6),表明高浓度芳樟醇处理显著减弱了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的致病力。
表2 芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的致病力影响Table 2 Effect of linalool on the pathogenicity of F.oxysporum FOX-1
图6 不同质量浓度芳樟醇处理3 d后生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌致病力的变化Fig.6 Changes in pathogenicity of F.oxysporum FOX-1 after 3 d linalool treatment at different concentrations
为了测定芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的抑制作用是否依赖于其直接的抑菌活性,本研究首先评估了芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝生长的影响。芳樟醇在质量浓度为0.125~4 g/L之间对尖孢镰刀菌菌丝生长具有不同程度的抑制作用,MIC为2 g/L。宿主植物的二次感染多由分生孢子引起,因此,理论上任何可以抑制孢子产生和孢子萌发的杀菌剂都有助于减少病害的发生[21]。故本研究进一步测定了芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子萌发的影响。结果表明,在2 g/L芳樟醇处理下生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子萌发率仅为(5.83±2.16)%,基本抑制了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌孢子的萌发。这与芳樟醇对其他病原菌的抑制作用相似,例如2 mL/L的芳樟醇基本抑制了灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)菌丝生长与孢子萌发[10];1.5 mL/L芳樟醇对莓实假单胞菌(Pseudomonas fragi)具有较强的抑制作用,芳樟醇能破坏莓实假单胞菌细胞的结构形态和细胞膜的完整性[22]。Liu Xue等[23]研究表明,431 μg/mL芳樟醇处理铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)16 h后,大部分细菌细胞发生弯曲、凹陷,细胞表面出现粗糙不均匀和细胞破裂等形变现象。本研究SEM结果显示,2 g/L芳樟醇处理后,生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝同样发生褶皱、扭曲、断裂等形变现象。综上,推测芳樟醇通过直接抑制病原菌的营养生长和生殖生长,破坏病原菌细胞结构,从而达到减轻病害发生的目的。
细胞膜是真菌组织结构的一部分,能够维持真菌正常的生理结构,是细胞与外界环境进行物质交换和信息传递的重要通道,能够有效调节细胞内外环境的稳定,保障真菌的正常生命活动[20]。PI是一种不可进入活细胞的荧光染料,其荧光结果通常反映了细胞凋亡状况[24]。芳樟醇处理组的PI染色荧光强度明显高于CK组。活细胞具有完整的细胞膜,会阻碍PI染色液与细胞内DNA结合,导致荧光强度较弱。因此,荧光效应的差异也表明芳樟醇具有破坏细胞膜结构和改变其通透性的能力,这与芳樟醇对索氏志贺氏菌的PI染色结果[25]一致。细胞膜的损伤通常会出现细胞内大物质泄漏现象[26-27]。经1 g/L与2 g/L芳樟醇处理的生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌细胞内容物有明显的泄漏。随着芳樟醇处理浓度的增加和处理时间的延长,尖孢镰刀菌菌丝的相对电导率、核酸含量呈明显的上升趋势。细胞膜是一些植物精油的常见靶标,例如,Li Xiuming等[28]发现芳樟醇通过对番茄尖孢镰刀菌细胞膜的破坏,有效控制了番茄枯萎病的发生。芳樟醇通过熏蒸破坏灰葡萄孢细胞膜的完整性,从而减轻灰霉病的症状[10]。
麦角固醇是真菌细胞膜中最丰富和主要的固醇成分,参与细胞膜通透性和流动性、整体膜蛋白的调节[29]。因此,它是细胞膜结构完整性的关键,麦角固醇含量的降低会导致细胞膜被破坏[30]。MDA含量是细胞膜脂过氧化的指标,它反映了膜脂过氧化和细胞膜损伤程度[31]。许多合成杀菌剂,如咪鲜胺(C15H16Cl3N3O2)和抑霉唑(C14H14Cl2N2O),以靶向细胞膜和抑制麦角固醇的生物合成为杀菌机制[32-33]。本研究发现芳樟醇处理显著降低了麦角甾醇含量,可以推断芳樟醇通过抑制麦角甾醇合成破坏生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌细胞膜。此外,芳樟醇处理增加了MDA的含量,说明生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌发生了脂质过氧化,加重了对细胞膜的损伤,抑制了菌丝的生长。
本研究在验证芳樟醇抑菌机理的同时,还测试了芳樟醇降低生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌致病力的能力。高文腾[14]研究表明,0.72 mg/mL芳樟醇喷药处理能够显著降低小麦的病小穗率,400 μL芳樟醇拌土处理可显著降低大豆疫病的发生。Xu Yanqun等[34]研究表明,芳樟醇熏蒸处理显著抑制草莓果实的灰霉病,延长草莓保鲜期。Li Xiuming等[28]研究表明,芳樟醇通过破坏番茄尖孢镰刀菌细胞膜的结构、阻碍其氧化还原功能和营养代谢,抑制其活性。Shen Qing等[29]研究表明,芳樟醇熏蒸能显著抑制番茄灰葡萄孢菌丝体生长,增加抗氧化酶活性和抗坏血酸含量,与细胞结构相关的主要酶多聚半乳糖醛酸(内切)酶、纤维素酶、β-半乳糖苷酶被芳樟醇抑制,表明芳樟醇可以保持细胞壁结构的完整性,加强对病原体的物理屏障,从而减轻番茄果实灰霉病的症状。本研究结果表明,向生姜姜块喷洒芳樟醇溶液显著减弱了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的致病力,说明芳樟醇在根源上抑制了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝体和孢子的生长,破坏细胞结构,同时降低了生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的分解能力,从侵入寄主的角度起到减轻病害发生的作用。这些研究结果为更好地开发和利用芳樟醇作为植物源抑菌剂应用于农业生产奠定了基础。
本研究结果表明,2 g/L的芳樟醇可有效抑制生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌菌丝的生长,孢子萌发率仅为(5.83±2.16)%,能够破坏菌丝体的细胞膜,增加细胞的通透性,使菌丝体发生脂质过氧化反应,导致菌丝体内外环境失衡,影响菌丝体的正常生命活动,从而降低生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的致病力。综上,本研究初步探讨了芳樟醇对生姜枯萎病菌尖孢镰刀菌的抑制作用机理,研究结果可为生姜枯萎病的生物防治提供新的思路,为后续工作的开展和深入研究提供理论依据,对生产上综合防控生姜枯萎病和其他土传病害具有重要的实践指导意义和研究价值。