詹鑫婕 陈乾平 蒋妮 宋利沙 丘卓秋 黄琦 潘丽梅 冯世鑫 白丹宇 蒋水元
摘要:采用平板抑菌法结合盆栽防治试验测定化橘红(Citri grandis Exocarpium)挥发油对罗汉果(Siraitia grosvenorii)斑枯病菌(Stagonosporopsis cucurbitacearum)的抑制活性。通过显微观察病原菌菌丝体的形态及测定挥发油处理病原菌菌丝体后处理液的电导率及可溶性蛋白质含量变化情况,探究化橘红挥发油的抑菌机理。平板抑菌结果表明,化橘红挥发油稀释≤1 000倍对罗汉果斑枯病病原菌菌丝生长的抑制率均达100.0%,显著高于80%多菌灵可湿性粉剂稀释1 000倍的抑制率(88.7%)。盆栽试验结果表明,化橘红挥发油稀释1 000倍,45%戊唑·咪鲜胺乳油和10%苯醚甲环唑乳油对罗汉果斑枯病病斑扩展的抑制率均在80.0%以上,且均显著高于80%多菌灵可湿性粉剂的抑制率(70.68%)。显微镜下观察发现,经化橘红挥发油处理7 d的病原菌菌丝呈念珠状膨大并有断裂现象。菌丝体与化橘红挥发油共培养结果表明,混合液的电导率及可溶性蛋白质含量均随着化橘红挥发油处理浓度的加大、互作时间的延长而提高;浓度为2.0 g/L的化橘红挥发油与病原菌菌丝共培养48 h,培养液的电导率为279.208 μS/cm,为各处理最大值;挥发油终质量分数0.2%、作用60 h后,培养液中的可溶性蛋白质含量达90.6 μg/mL,为各处理的最大值。
关键词:罗汉果(Siraitia grosvenorii); 斑枯病菌(Stagonosporopsis cucurbitacearum); 化橘红(Citri grandis Exocarpium); 挥发油; 抑制作用及机理
中图分类号:S435.67 文献标识码:A
文章编号:0439-8114(2024)06-0094-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.014 开放科学(资源服务)标识码(OSID):
Inhibition and mechanism of volatile oil of Citri grandis against the
Stagonosporopsis cucurbitacearum of Siraitia grosvenorii
ZHAN Xin-jie1a,1b, CHEN Qian-ping1a,1b, JIANG Ni1a,1b, SONG Li-sha1a,1b, QIU Zhuo-qiu1a,1b,
HUANG Qi1a,1b, PAN Li-mei1a,1b, FENG Shi-xin1a,1b, BAI Dan-yu1a, JIANG Shui-yuan2
(1a.Guangxi Key Laboratory for High Quality Formation and Utilization of Dao-Di Herbs/Guangxi Traditional Chinese Medicine Breeding Technology Innovation Center;1b.National Center for Traditional Chinese Medicine Inheritance and Innovation, Guangxi Botanical Garden of Medicinal Plants, Nanning 530023,China;2. Guangxi Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Guilin 541006,Guangxi,China)
Abstract: The inhibitory activity of Citri grandis oil on Stagonosporopsis cucurbitacearum of Siraitia grosvenorii was determined by the plate bacteriostatic method combined with pot experiment. The antifungal mechanism of the volatile oil of Citri grandis was investigated by observing the morphology of pathogenic mycelia and measuring the change of conductivity and soluble protein content in the treatment solution of pathogenic mycelia treated by volatile oil. The results of the plate antibacterial test indicated that the inhibition rate of bacterial filamentum growth was 100.0% when the volatile oil was diluted less than 1 000 times, which was significantly higher than the inhibition rate of 80% carbendazim wettable powder diluted 1 000 times (88.7%). The results of pot experiment showed that when the volatile oil was diluted 1 000 times, the inhibition rates of 45% pentazole-imimidazole emulsion and 10% difenoconazole emulsion were both above 80.0%, and significantly higher than that of 80% carbendazim wettable powder (70.68%). Under the microscope, it was found that the pathogenic mycelia treated with Citri grandis volatile oil for 7 days showed a moniliform expansion and fracture phenomenon. The results of co-culture of mycelium with volatile oil showed that the conductivity and soluble protein content of the mixture increased with the increase of volatile oil concentration and the prolongation of interaction time. The conductivity of the culture medium was 279.208 μS/cm, which was the maximum value of each treatment, when volatile oil with the concentration of 2.0 g/L was co-cultured with pathogenic mycelia for 48 h. When the final mass fraction of volatile oil was 0.2%, the soluble protein content in culture medium reached 90.6 μg/mL after 60 h of treatment, which was the maximum value of each treatment.
Key words: Siraitia grosvenorii; Stagonosporopsis cucurbitacearum; Citri grandis Exocarpium; essential oil; inhibition and mechanism
罗汉果(Siraitia grosvenorii)为葫芦科多年生植物,其干燥果实是中国特有的药食两用中药材,具有清热润肺、利咽开音及生津止渴等功效,是历版《中国药典》收录品种[1]。罗汉果果实中含有丰富的高甜度低热量罗汉果甜苷,作为低热量甜味剂大量出口到欧美和日本等地[2,3]。广西是罗汉果的主产区及道地产区,全国80%以上的罗汉果产自广西桂林[4-6]。但栽培历史悠久导致的病害种类多,尤其是近年来桂林等主产区出现的罗汉果新病害——罗汉果斑枯病,对罗汉果生长为害更严重。据报道,恶霉灵、戊唑醇和咪鲜胺等化学农药能在一定程度上抑制罗汉果斑枯病发生,但是随着化学农药的逐年使用,部分果园已开始出现抗(耐)药性,同时也带来了农残积累等系列问题[7,8]。中国传统中药材化橘红(Citri grandis Exocarpium)中含有柠檬烯、月桂烯、萜品烯和石竹烯等大量挥发油成分,这些成分均具有祛痰、止咳、镇痛和杀菌消炎等作用[9],但目前鲜见化橘红挥发油抑杀植物病原微生物的报道。因此,探究化橘红挥发油对罗汉果斑枯病菌(Stagonosporopsis cucurbitacearum)的抑制作用及机理,对该病的生物防治、植物源农药开发及促进广西罗汉果产业的健康发展具有重要意义。在有害生物的可持续控制中,植物源农药对环境友好、安全有效,是保证农业可持续发展的重要手段,也是今后农药工业发展的方向[10]。挥发油又称芳香油或植物精油,是一类挥发性高、渗透性强、不易产生抗药性的植物次生代谢产物,不仅是医药及食品行业开发为天然抗菌防腐药剂的热点,且在防治植物病害上也具有独特的应用价值[11,12]。目前已有植物挥发油具有抑菌活性的报道。王宏年等[13]研究发现,香茅精油处理番茄灰霉病菌72 h对菌丝生长表现出强抑制活性;刘耀华等[14]报道香茅精油对番茄早疫病菌也表现出很强的抑菌活性。可见,香茅挥发油对番茄发生的多种病害均表现出较强抑菌活性。植物挥发油不仅对某种植物的多种病害表现抗性,对不同植物的不同病原菌也表现出抗性,即具广谱特性,如肉桂挥发油是具有广谱杀菌活性的植物提取物,对番茄灰霉病菌和茎枯病菌、苹果青霉病菌、黄瓜镰刀菌及禾谷镰孢菌等多种植物病原菌菌丝生长或孢子萌发表现出较强的抑制活性[15,16];紫苏、八角和天竺葵3种植物挥发油对不同植物病原菌也表现出抑制活性[17-19]。此外,植物挥发油在农药领域独特的应用价值还表现在病原菌不易产生抗药性方面。已有研究认为,挥发油是一类混合物,其抑菌活性物质可能不是单一化合物,而是发挥联合作用的多种抑菌物质,且多种挥发油混合能显著提高抑菌活性[12,20]。此外,目前挥发油抑菌机理研究多集中在对病原菌细胞膜的破坏方面,但不只是由单个特定的机制引起,而是复杂的一连串细胞反应[12,20]。植物挥发油抑菌机理的复杂性、抑菌活性物质的多元化降低了病原菌产生抗药性的风险。关于罗汉果斑枯病病原菌的研究主要集中在分类鉴定、杀菌剂的室内筛选方面,尚未见生物防治方面的研究报道。评价挥发油抑杀微生物的生物效果,掌握其作用机理是更好利用这类天然产物的基础,但迄今关于化橘红挥发油防治罗汉果斑枯病及其抑菌作用机理的研究鲜见报道。本研究在室内试验条件下测定化橘红挥发油对罗汉果斑枯病的抑菌效果,初步探讨其抑菌机制,以期为开发植物源杀菌剂防治罗汉果斑枯病及促进广西罗汉果产业的健康发展提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 供试样品 化橘红采集于广西河池市天峨县化橘红生态种植基地。化学农药为10%苯醚·甲环唑水分散剂(北京绿色农华植保科技有限公司)、45%戊唑·咪鲜胺乳油(美国乔贝尔作物保护有限公司)、80%多菌灵可湿性粉剂(安徽华星化工有限公司)。罗汉果斑枯病菌(病原真菌)由广西药用植物园植物病理研究室提供。罗汉果植株为广西植物研究所提供的罗汉果1号一年生扦插苗。
1.1.2 供试培养基 PDA培养基:马铃薯200.0 g,葡萄糖20.0 g,琼脂18.0 g,去离子水1 L,用于植物病原真菌培养及室内抑菌试验。PDB培养基:马铃薯200.0 g,葡萄糖20.0 g,去离子水1 L,用于电导率及蛋白质含量测定试验。
1.2 方法
试验于2021年5—8月在广西药用植物园植保研究室进行。
1.2.1 化橘红挥发油提取 将未成熟的化橘红外层果皮干燥后,粉碎过二号至三号筛,混合均匀,称重0.5 kg,加10倍量水,按《中华人民共和国药典》2020年版四部2204挥发油测定法(甲法)提取挥发油。
1.2.2 化橘红挥发油对病原菌菌丝生长的抑制作用 采用生长速率法测定化橘红挥发油对病原菌菌丝生长的抑制作用。取一定量的挥发油,用毛细管滴入8~10滴吐温-80,无菌玻璃棒搅拌均匀,用未冷却(45 ℃)的PDA培养基将挥发油依次稀释500、 1 000、2 000、4 000、8 000倍,每个浓度重复3次,以加等量吐温-80的无菌水为阴性对照。3种供试杀菌药剂(阳性对照)的浓度参考其商品使用说明(表1),用未冷却的PDA培养基稀释,每处理重复3次。待平板冷却凝固后移入直径为6 mm的罗汉果斑枯病病原菌菌饼,置于28 ℃培养箱培养7 d(此时对照病原菌菌丝已长满培养皿),用十字交叉法测量各处理的菌落直径(mm),计算抑制率。
菌落扩展直径=实测菌落直径-6 mm
抑制率=(对照菌落扩展直径-处理菌落扩展直径)/对照菌落扩展直径×100%
1.2.3 盆栽防治试验 盆栽防治试验在广西药用植物园植物培养室内进行。取一定量的挥发油,用毛细管滴入8~10滴吐温-80,用无菌玻璃棒搅拌均匀,用灭菌水将其稀释1 000倍,使得挥发油终质量分数为0.100 0%,以加等量吐温-80无菌水为对照(CK)。3种供试杀菌剂按照其商品包装的使用说明,用灭菌水稀释相应倍数备用。每处理3盆,每盆1株罗汉果,每株罗汉果接种病原菌10张叶片,每张叶片2个接种点(菌饼有伤接种),分别在接种后2、5、10 d喷施稀释好的挥发油及杀菌剂。在接种后17 d,用十字交叉法测量各病斑直径(cm),分别计算处理组和对照组的平均病斑直径,计算抑制率。
发病率=接种后发病接种点数/接种点数×100%
防治效果=(对照发病率-处理发病率) /对照发病率×100%
病斑平均直径=各病斑直径之和/测量的病斑数
病斑扩展抑制率=(对照平均病斑直径-处理平均病斑直径) /对照平均病斑直径×100%
1.2.4 挥发油对病原菌菌丝形态的影响 分别挑取在PDA和含挥发油(1 000.0 mg/L)PDA培养基上培养7 d的病原菌菌丝,光学显微镜下观察菌丝形态。
1.2.5 挥发油对病原菌菌丝细胞膜的影响 用打孔器分别在PDA培养基上培养5 d的病原菌菌落边缘打取直径为6 mm的3块菌饼,接入PDB培养基中,在150 r/min、28 ℃条件下振荡培养5 d,取出菌丝团用去离子水冲洗过滤3次后真空抽滤备用。用灭菌水配制浓度为2.0、1.0、0.5 g/L的化橘红挥发油药液,称取1.0 g备用菌丝加入到20 mL挥发油药液中,于150 r/min、28 ℃条件下振荡5、12、24、48 h,用电导仪测定电导率,扣除背景电导率。以灭菌水作对照,各处理重复3次。
1.2.6 挥发油对病原菌菌丝体孢外蛋白质含量的影响 取直径为6 mm的菌饼接种到100 mL PDB培养液中,再在培养液中分别加入不同体积的挥发油,使得挥发油终质量分数分别为0.05%(挥发油稀释 2 000倍,处理1)、 0.10%(挥发油稀释1 000倍,处理2)和0.20%(挥发油稀释500倍,处理3),于150 r/min、28 ℃的恒温摇床培养箱中培养4 d,混合培养 5、12、24、48、36、60 h后,分别将菌丝体和培养液分离,同时将回收的培养液在4 ℃、10 000 r/min条件下离心15 min,取上清液待测。培养液中可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定。
1.3 统计分析
采用SPSS 22.0软件进行方差分析(ANOVA),以Duncans新复极差法进行多重比较,以Origin 2018软件制图。
2 结果与分析
2.1 化橘红挥发油对罗汉果斑枯病病原菌菌丝的抑制作用
由表1可知,化橘红挥发油稀释500、1 000、 2 000、4 000、8 000倍对罗汉果斑枯病病原菌菌丝的抑制率分别为100.0%、100.0%、70.8%、29.5%、6.5%。此外,化橘红挥发油稀释1 000倍对罗汉果斑枯病病原菌菌丝生长的抑制率与10%苯醚·甲环唑水分散剂和45%戊唑·咪鲜胺乳油相同,均为100.0%,且均显著高于稀释1 000倍的80%多菌灵可湿性粉剂对罗汉果斑枯病病原菌菌丝的抑制率(88.7%)(P<0.05,下同)。可见,化橘红挥发油对罗汉果斑枯病病原菌菌丝生长具有强抑制作用,在稀释1 000倍以内,能达到与化学农药相同的抑制效果,但会随着挥发油浓度的降低而减弱,稀释至8 000倍基本不能抑制病原菌菌丝生长。
2.2 化橘红挥发油对罗汉果斑枯病的防治效果
由表2可知,对照罗汉果斑枯病的发病率为100.0%,而化橘红挥发油稀释1 000倍处理后,罗汉果斑枯病的发病率为23.3%,防治效果为76.7%,可见化橘红挥发油能减少病害的发生率,且防治效果显著高于化学药剂多菌灵(68.3%)。供试的化学杀菌剂45%戊唑·咪鲜胺乳油和10%苯醚·甲环唑水分散剂对罗汉果斑枯病的防治效果分别为83.3%、80.0%。化橘红挥发油、45%戊唑·咪鲜胺乳油、10%苯醚·甲环唑水分散剂对病斑扩展的抑制率均大于80.0%,且均显著高于80%多菌灵可湿性粉剂对病斑扩展的抑制率(70.7%)。可见,化橘红挥发油不仅可以降低病害的发生率,同时还可抑制病斑的扩大,有效减轻罗汉果斑枯病的危害。
2.3 化橘红挥发油对罗汉果斑枯病病原菌菌丝形态的影响
从图1可以看出,CK菌落生长旺盛,菌丝浓密,光学显微镜下观察菌丝粗细均匀、纤细直长,胞外无外渗物,分枝正常(图1A);挥发油处理组的菌落生长缓慢,菌丝稀疏,光学显微镜观察发现,菌丝呈念珠状膨大,一些还出现溶解断裂现象(图1B和图1C)。此外,当挥发油稀释≤1 000倍时,菌落几乎不生长。说明化橘红挥发油对罗汉果斑枯病病原菌菌丝生长及形态均有不同程度的影响。
2.4 化橘红挥发油对罗汉果斑枯病病原菌菌丝细胞膜的影响
由表3可知,化橘红挥发油处理后,罗汉果斑枯病病原菌菌丝体的细胞膜透性(菌丝体电导率)发生了变化。其中,CK菌丝体的电导率整体变化不明显,而化橘红挥发油处理组菌丝体的电导率随着处理时间的延长和处理浓度的增大均相应增大,挥发油浓度2.0 g/L、处理48 h时,菌丝体的电导率为279.208 μS/cm,显著高于其他处理,此时CK菌丝体的电导率仅为1.781 μS/cm,显著低于其他处理。可见,经挥发油处理后,罗汉果斑枯病病原菌菌丝体的细胞膜透性增大,电导率升高,且与挥发油的浓度和处理时间成正比。
2.5 化橘红挥发油对罗汉果斑枯病病原菌菌丝体胞外蛋白质的影响
由图2可以看出,化橘红挥发油处理菌丝体后,培养液的可溶性蛋白质含量均显著高于CK,说明化橘红挥发油处理导致罗汉果斑枯病病原菌菌丝体内原生质外渗;随着挥发油浓度的增加及处理时间的延长,培养液的可溶性蛋白质含量均随之逐渐增加,其中处理3(挥发油终质量分数为0.20%)与病原菌菌丝体共培养60 h后,培养液中的可溶性蛋白质含量达90.6 μg/mL,为各处理的最大值。方差分析结果表明,相同作用时间不同培养液中可溶性蛋白质含量表现为处理3>处理2>处理1,且差异显著。说明化橘红处理浓度的增加能增强其对罗汉果斑枯病病原菌菌丝体细胞壁的破坏作用。
3 讨论
挥发油是一类挥发性高、渗透性强、不易产生抗药性的植物次生代谢产物[21]。挥发油是中国传统芳香中药材中具有代表性的有效组分,其显著的抗细菌及抗真菌活性在解决耐药性细菌和真菌引发的人体疾病问题方面具有重要意义[15,22]。利用挥发油防治植物病原微生物逐渐引起了人们的关注,目前已有植物精油防治植物重要病害的相关报道,国外已开发出一些精油类农药,中国也开始重视对植物精油杀菌剂的研发[23]。已有研究表明,中药材辽细辛、土荆芥、茅苍术、香茅等挥发油(精油)对黄瓜灰霉病菌、灰葡萄孢菌、交链孢菌、番茄早疫病菌、瓜果腐酶和尖镰孢菌等植物病原真菌均有良好的抑制活性作用[14,24-26]。本研究以罗汉果斑枯病菌为靶标,利用化橘红挥发油对该病原真菌开展抑菌活性试验,发现化橘红挥发油稀释≤1 000倍时能完全抑制菌丝的生长,其抑制率与化学杀菌剂10%苯醚·甲环唑水分散剂稀释2 000倍、45%戊唑·咪鲜胺乳油稀释2 000倍的抑制率相当,均为100.0%;盆栽防治试验结果显示,化橘红挥发油稀释1 000倍、10%苯醚·甲环唑水分散剂稀释2 000倍和45%戊唑·咪鲜胺乳油稀释2 000倍对病斑扩展的抑制率均达80.0%以上,抑制效果均显著优于稀释1 000倍的80%多菌灵可湿性粉剂。可见,化橘红挥发油在罗汉果斑枯病害的生物防治领域具有较大的应用潜力。但化橘红挥发油对其他病原真菌的抑制效果还有待进一步探讨。
植物挥发油对有害微生物具有抗菌活性的研究较多,但对其抗菌机理的研究尚少,且多集中在破坏微生物的细胞膜引起细胞器损伤进而影响细胞生理功能方面。细胞膜是保护微生物正常生理代谢的生物屏障,细胞膜受损后细胞内部的K+和Na+电解质会大量渗出,导致培养液电导率上升;同时也会导致蛋白质等胞内物质外渗[12]。罗曼等[21]的报道证实山苍子香精油中的柠檬醛能改变黄曲霉质膜的选择通透性,使其核 DNA 产生不可逆损伤,从而抑制菌丝体生长及孢子萌发。陈利军等[25]的研究发现,土荆芥挥发油熏蒸处理灰葡萄孢能使菌体死亡,主要机理是菌丝体的细胞膜通透性受到破坏,导致细胞内含物和蛋白质外渗。刘耀华等[14]的研究表明香茅精油处理番茄早疫病菌12 h后,菌丝体的电导率及可溶性蛋白质含量均显著提高。本研究的罗汉果斑枯病菌与化橘红挥发油共培养结果与上述研究结果相似,菌液的电导率及可溶性蛋白质含量均随着挥发油处理浓度的加大、互作时间的延长而提高,由此初步认为化橘红挥发油可破坏菌丝体细胞膜的通透性,从而导致病原菌细胞内原生质渗漏,故电导率及可溶性蛋白质含量随之相应增加。本研究仅从光学显微镜中看到病原菌菌丝体膨大畸形并有部分断裂,在今后的研究中将通过扫描电镜或透视电镜等进一步观察、验证挥发油对菌体细胞壁和细胞膜组织结构完整性的影响。此外,还可通过转录组测序从分子水平上研究挥发油对菌丝体DNA和RNA生物合成和代谢的影响。同时,化橘红挥发油中是某种活性成分发挥了诱导效应,还是多种成分共同作用破坏罗汉果斑枯病菌细胞膜的完整性,有待进一步深入探究。
4 小结
化橘红挥发油对罗汉果斑枯病菌具有较强的抑制作用,能导致病原菌菌丝体膨大畸形,溶解断裂;可破坏病原菌细胞膜,导致胞内蛋白质外漏,菌体死亡;稀释≤1 000倍对罗汉果斑枯病病原菌丝生长的抑制率均达100.0%,对罗汉果斑枯病病斑扩展的抑制率达80.4%。因此,化橘红挥发油具有开发应用为植物源农药防治罗汉果斑枯病的潜力。
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