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Interactions between arbuscular mycorrhizal fungi and cereal cyst nematode

丛枝菌根真菌与小麦孢囊线虫的相互作用



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  44(1): 97 ̄106(2014)
收稿日期: 2013 ̄02 ̄10ꎻ 修回日期: 2013 ̄11 ̄25
基金项目: 国家自然科学基金(31272210)ꎻ青岛市科技计划基础研究项目(12 ̄1 ̄4 ̄5 ̄(14) ̄jch)ꎻ 泰山学者建设工程专项
通讯作者: 刘润进ꎬ教授ꎬ主要从事菌根学研究ꎻ E ̄mail: liurj@qau. edu. cn
第一作者: 王小坤ꎬ女ꎬ山东烟台人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事菌根学研究ꎻ E ̄mail: wxs20065089@sohu.comꎮ
丛枝菌根真菌与小麦孢囊线虫的相互作用
王小坤1ꎬ 赵洪海1ꎬ2ꎬ 李 敏1ꎬ 刘润进1∗
( 1青岛农业大学菌根生物技术研究所ꎬ 青岛 266109ꎻ 2 青岛农业大学线虫研究室ꎬ 青岛 266109)
摘要:近年来ꎬ小麦孢囊线虫(cereal cyst nematodesꎬ CCN:主要病原为燕麦孢囊线虫 Heterodera avenae)对小麦(Triticum
aestivum)的危害日益严重ꎬ亟待探索新的生防途径ꎮ 丛枝菌根真菌( arbuscular mycorrhizal fungiꎬ AMF)作为环境功能生
物ꎬ对寄主植物具有生物药肥双重作用ꎬ不仅能促进植物吸收利用养分ꎬ而且能拮抗土传病原物、提高植物抗病性ꎮ 本研究
以 AMF与 CCN相互作用为切入点ꎬ试图明确 AMF与 CCN相互作用关系ꎬ并科学评价不同 AMF 抑制 CCN、降低病害的
效应ꎮ 试验于温室盆栽条件下进行ꎬ设接种 AMF Gigaspora margarita(Gi.m)、Glomus mosseae(G.m)、Glomus intraradices
(G.i)、Glomus versiforme(G.v)、Gi.m +G.m+G.i+G.v、CCN、CCN+Gi.m、CCN+G.m、CCN+G.i、CCN+G􀆰 v、CCN+Gi.m+G.m
+ G.i+G.v和不接种对照(CK)共 12个处理ꎮ 结果表明ꎬ接种 AMF各处理均能降低小麦孢囊线虫侵染率、土壤中孢囊数和
根内 J2数量ꎬ其中 Gi.m处理抑制效果最大ꎻCCN不同程度减少 AMF侵入点数和产孢数量ꎮ Gi.m 和 CCN+Gi.m处理的根
内丛枝着生数量最多ꎬ而后者根内的超氧化物歧化酶、苯丙氨酸解氨酶和过氧化氢酶活性显著高于其他处理、丙二醛含量
则显著低于其他 CCN+AM真菌处理ꎮ Gi.m和 G.i处理的小麦株高、地上部干重高于其他处理ꎻGi.m 和 CCN+Gi.m的处理
的单穗重和单株产量均高于其他处理ꎮ 表明 AMF能不同程度拮抗 CCN、促进小麦生长和提高产量ꎬ其中ꎬGi.m 是高效菌
种ꎮ 结论认为ꎬAMF与 CCN之间存在一定相互抑制作用ꎬAMF能通过诱导植株防御反应拮抗 CCNꎮ
关键词:小麦孢囊线虫ꎻ 丛枝菌根真菌ꎻ Gigaspora margaritaꎻ 防御性酶
Interactions between arbuscular mycorrhizal fungi and cereal cyst nematode  WANG
Xiao ̄kun1ꎬ ZHAO Hong ̄hai1ꎬ2ꎬ LI Min1ꎬ LIU Run ̄jin1   ( 1 Institute of Mycorrhizal Biotechnologyꎬ Qingdao Agricul ̄
tural Universityꎬ Qingdao 266109ꎬ Chinaꎻ 2 Nematode Laboratoryꎬ Qingdao Agricultural Universityꎬ Qingdao 266109ꎬ China)
Abstract: Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)ꎬ as one kind of the environmental functioning organismsꎬ
have the dual role of biocide and fertilizerꎬ which not only enhance nutrient absorption and utilization by host
plantsꎬ but also antagonize soil ̄borne pathogens and improve plant disease resistance. In recent yearsꎬ cereal cyst
nematode (CCN) disease on wheat (Triticum aestivum) become serious and the new biocontrol approach needs
to be explored. The purpose of this study was to clarify the interaction relationship between AMF and CCNꎻ e ̄
valuate the effects of different AMF suppressing CCN and reducing disease. Pot experiments were carried with 12
treatments: inoculation with AMF Gigaspora margarita (Gi.m)ꎬ Glomus mosseae(G.m)ꎬ Glomus intraradices
(G.i)ꎬGlomus versiforme (G.v)ꎬGi.m+G.m+G.i+G.vꎬCCNꎬCCN+Gi.mꎬCCN+G.mꎬ CCN+G.iꎬ CCN+G.vꎬ
CCN+Gi.m+G. m+G.i+G.v and non ̄inoculation control (CK) . The results showed that the treatments with AMF
reduced CCN infection rateꎬcyst numbers in the soil and J2 numbers in the root and Gi. m treatment was the
best. CCN reduced the numbers of AMF entry points and spores. The arbuscule colonization percentage in Gi.m
and CCN +Gi. m treatments was the highest. The activity of superoxide dismutase(SOD)ꎬphenylalanine ammo ̄
nia ̄lyase (PAL)ꎬand catalase(CAT) in roots inoculated with CCN+Gi.m were significantly higher than that in
the other treatmentsꎬwhile the content of malondialdehyde(MDA) was lower than that in the other CCN+AMF
 
植物病理学报 44卷
treatments. The plant heightꎬ stems and leaves dry weight of plants inoculated with Gi. m or G. i were higher
than that in the other treatmentsꎻ the weight per ear and yield per plant treated with Gi. mꎬ or CCN +Gi. m were
higher than other treatments. That showed AMF could inhibit CCNꎬ enhance wheat growth and increase yield in
some degreeꎬ and Gi.m was superior. It was suggested there was negative interactions between AMF and CCNꎻ
and AMF can antagonize CCN through inducing defense reactions.
Key words: cereal cyst nematodeꎻarbuscular mycorrhizal fungiꎻGigaspora margaritaꎻdefensive enzymes
中图分类号: S432.4          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2014)01 ̄0097 ̄10
    丛枝菌根真菌 ( arbuscular mycorrhizal fungiꎬ
AMF)是重要和广泛分布的植物共生真菌ꎬ不仅能
改善植物营养、促进植物生长发育ꎬ而且能够抑制
病原物、减轻植物土传病害、提高植物抗病性[1~3]ꎮ
业已表明ꎬAMF 可减轻黄瓜(Cucumis sativus)枯萎
病[4]、棉花(Gossypium sp.)黄萎病[5~6]、桉树(Euca ̄
lyptus urophylla)幼苗青枯病[7]、 烟草 (Nicotiana
tabacum K326)青枯病[8]和番茄(Lycopersicon escu ̄
lentum) 根结线虫病(Meloidogyne incognita) [9]ꎮ 黄
瓜接种 AMF Glomus intraradicesꎬ Glomus mosseae和
Glomus versiforme 均能降低病情指数ꎬ但只有 G.
mosseae和 G. versiforme 能显著降低根内线虫卵的
数量[10]ꎮ 可见ꎬ不同 AMF拮抗线虫的效应不同ꎬ值
得广泛深入研究ꎮ 另一方面ꎬ目前对 AMF与小麦孢
囊线虫 ( Heterodera avenaeꎬ cereal cyst nematodeꎬ
CCN)之间的相互作用知之甚少ꎮ 特别是近年来ꎬ
CCN对小麦(Triticum aestivum Linn)的危害日益严
重ꎬ已在澳大利亚、英格兰、中国和伊朗等 37个小麦
生产国发生危害ꎬ严重时造成的产量损失可达 80%
以上ꎮ 目前ꎬ我国湖北、河南、山东、安徽、青海、内蒙
古和北京等 12省(自治区、直辖市)的 40多个县、市
均有 CCN发生ꎬ一般病田减产 20%~40%ꎬ严重病田
减产达 70%以上[11~12]ꎬ危害小麦面积约 100万 hm2
以上ꎬCCN能减少小麦分蘖和孕穗ꎬ成为我国小麦生
产中的一个新问题[13~14]ꎮ
本研究从 AMF与小麦孢囊线虫相互作用为切
入点ꎬ评价不同 AMF 抑制 CCN、减轻病害、提高抗
病性的效应ꎬ旨在为今后深入开展 AMF 拮抗 CCN
的分子机制研究和进一步开展 AMF生防菌种筛选
工作提供依据ꎮ
1  材料与方法
1.1  试验材料
小麦(Triticum aestivum Linn.)品种为青麦 6
号ꎬ由青岛农业大学旱作实验室提供ꎻ小麦孢囊线
虫(cereal cyst nematodeꎬ CCNꎬ 本实验接种的病
原为燕麦孢囊线虫 Heterodera avenae Wollen ̄
weber)由青岛农业大学线虫研究室提供ꎻAMF 为
Gigaspora margarita ( Gi.m )ꎬ Glomous mosseae
(G.m)ꎬ Glomus intraradices(G. i)ꎬ Glomus versi ̄
forme(G.v)ꎬ以保存在三叶草的根段及其石英砂
培养基质中的孢子作为接种物ꎻ小麦盆栽基质为砂
土比 2 ∶1ꎬ全氮含量 0.102 3%ꎬ速效磷含量 16􀆰 08
mg / kgꎬ速效钾含量 102. 64 mg / kgꎬ有机质含量
7.9 g / kgꎮ
1.2  试验设计
试验于温室盆栽条件下进行ꎬ设 12个处理:不
接种对照(CK)、接种 CCN(经过低温处理)、接种
AMF Gigaspora margarita(Gi.m)、 Glomus mosse ̄
ae(G.m)、Glomus intraradices(G.i)、Glomus versi ̄
forme(G.v)、 Gi.m+G.m+G. i+G.v、、CCN+Gi.mꎬ
CCN+G.mꎬ CCN+G.iꎬ CCN+G.vꎬ CCN+Gi.m+G.
m+G.i+G.vꎬ随机排列ꎬ每个处理重复 5次ꎮ
1.3  接种与栽培管理
基质高压灭菌后装入经消毒过的花盆(17 cm
×20 cm)ꎻ将各 AMF接种物分别加入盆内基质中ꎬ
接种量为接种势单位 7 500 /盆[15]ꎬCK 处理加入
与接种物相同体积的灭菌砂和接种物滤液ꎻ每盆撒
播小麦种子 12粒左右ꎬ种子上覆土 3 cm 左右ꎻ待
小麦出苗生长 68 d 后ꎬ接种经过低温处理(4℃下
保存 60 d 左右)的 CCN 卵ꎬ接种量约为 CCN 卵
10 000~ 20 000个 /盆ꎮ 将 CCN 胞囊轻轻捣破ꎬ加
水形成悬浮液ꎬ均匀倒入小麦根周围ꎮ 每隔 2 d左
右浇水一次ꎬ根据需要补充营养液ꎬ其他均常规管理ꎮ
1.4  测定指标与方法
1.4.1  AMF 侵染状况  分别于小麦生长苗期、拔
89
 
  1期 王小坤ꎬ等:丛枝菌根真菌与小麦孢囊线虫的相互作用
节期、抽穗期、成熟期取样ꎬ染色镜检法测定菌根发
育情况[16]ꎮ
1.4.2   CCN 侵染率   小麦接种 CCN 后 30 d 取
样ꎬ测定 CCN侵染率ꎮ 采用次氯酸钠 ̄酸性品红染
色法ꎬ于体视显微镜下解剖镜检[17]ꎮ 每处理取小
麦 10株ꎬ调查根内小麦孢囊线虫 2 龄幼虫( J2)的
数量ꎬ计算样品的 CCN侵染率ꎮ
1.4.3  小麦 CCN 病情指数   采用病害分级计算
CCN病情指数=100×∑(各级小麦株数×各级代表
值) / (调查总株数×最高级代表值)
苗期:未接种 CCNꎬ病情指数均为 0ꎮ 拔节期
和抽穗期:每处理取 10 株小麦ꎬ采用次氯酸钠 ̄酸
性品红染色法测定根内 CCN J2 的数量ꎮ 0 级:根
内无 J2ꎻ1级:根内 J2数量 1~5个ꎻ2级:根内 J2数
量 6~ 10 个ꎻ3 级:根内 J2 数量 11 ~ 15ꎻ4 级:根内
J2数>16个ꎮ 成熟期:小麦收获后测定每个处理土
壤中的孢囊数量ꎬ每盆取 1 000 g 土ꎬ重复 5 次ꎮ 0
级:孢囊数量 0个ꎻ1级:孢囊数量 1 ~ 5 个ꎻ2 级:孢
囊数量 6~20个ꎻ3级:孢囊数量 21~50个ꎻ4级:孢
囊数量>51个ꎮ
1.4.4  防御性酶活性  小麦接种 CCN 30 天后取
样ꎬ测定小麦根内防御酶活性ꎮ 过氧化物酶(per ̄
oxidaseꎬ POD)活性:活性采用愈创木酚法ꎻ超氧化
物歧化酶(superoxide dismutaseꎬ SOD) 活性:采用
NBT 法ꎻ苯丙氨酸解氨酶 (phenylalanine ammonia ̄
lyaseꎬPAL) 活性:参照 Gao[18]的方法ꎻ过氧化氢酶
(catalaseꎬ CAT)活性:紫外吸收法ꎻ丙二醛(malon ̄
dialdehydeꎬ MDA)含量:参照Wang[19]的方法ꎮ
1.4.5  土壤理化特性  土壤有机质含量测定采用
重铬酸钾容量法ꎬ土壤全氮含量测定采用重铬酸
钾 ̄硫酸消化法ꎬ土壤速效磷含量采用碳酸氢钠法ꎬ
土壤中速效钾含量测定采用醋酸铵 ̄火焰光度计
法ꎬ土壤 pH值测定使用 pH计ꎮ
1.4.6  小麦生长量和产量  小麦收获时按常规方
法测定株高、产量相关等生长指标等ꎮ
1.5  数据处理
采 DPS统计软件和Microsoft Excel 2003版统
计软件进行数据分析ꎮ
2  结果与分析
2.1  接种 AMF对 CCN侵染和繁殖的影响
未接种 CCN的所有处理小麦根系均无线虫侵
染ꎻ接种 CCN处理的 CCN侵染率、孢囊数量、单株
小麦 J2数量最高ꎬ分别为 90%、15 个 /株和 43 个 /
kg土ꎮ CCN+Gi.m 处理的 CCN 侵染率最低为 0ꎬ
CCN+G.v 处理最高为 60%(表 1)ꎮ 结果表明ꎬ不
同 AMF拮抗 CCN 的效果不同ꎬ以 Gi.m 对 CCN
的拮抗作用最强ꎮ
Table 1  Effects of AMF on CCN infection and development
Treatment CCN infection(%) Number of J2 / plant Number of cyst / kg soil
CK 0 0 0
CCN 90±6.32 a 15±3.37a 43±12.35 a
G.i 0 0 0
CCN+G.i 10±6.32e 1±0.75 d 4±2.79 e
G.m 0 0 0
CCN+G.m 50±8.00 c 9±1.36 b 24±4.24 c
G.v 0 0 0
CCN+G.v 60±10.20 b 8±2.58 b 27±4.32 b
G.i+G.m+G.v+Gi.m 0 0 0
CCN+Gi.m+G.m+G.i+G.v 30±8.00 d 3±1.05 c 19±4.71 d
Gi.m 0 0 0
CCN+Gi.m 0 1±0.80 d 2±1.10 f
Different small letters in columns mean significant different at P= 0. 05 level.
99
 
植物病理学报 44卷
2.2  CCN对 AMF侵染和产孢的影响
小麦收获时ꎬ接种 CCN 处理显著降低了 G.m
和 G.v 的侵染率、侵入点数量和孢子数量ꎬ而不影
响 Gi.m、G.i、和混合菌剂(G.i+G.m+G.v+Gi.m)的
侵染率ꎮ Gi.m和 CCN+Gi.m处理的丛枝着生数量
和孢子数量最多(表 2)ꎮ
2.3  AMF对小麦 CCN病害的影响
接种 AMF 能显著减轻 CCN 对小麦的为害程
度ꎬ降低病情指数ꎬ 其中以 CCN +G. i 和 CCN +
Gi.m 处理的病情指数最低(图 1) ꎮ
2.4  AMF 和 CCN 对小麦根内防御性酶活性和
MDA含量的影响
AMF或 CCN处理均增加 POD、SOD、CAT 和
PAL酶活性ꎻ Gi. m +CCN 处理的 SOD、PAL 和
CAT 活性最高ꎮ CCN 处理的 MDA 含量最高ꎬ
CCN+Gi.m、 CCN+Gi.m+G.m+G.i+G.v 和 CCN+
G.m 处理则降低其含量ꎬ其中 CCN+Gi.m 处理的
最低(表 3)ꎮ
2.5  AMF和 CCN对小麦生长和产量的影响
接种 AMF 能促进小麦的生长发育ꎮ 接种
CCN条件下ꎬGi.m 和 G.i 处理仍能保持麦苗健康
正常生长ꎬ同样能增加植株的生长量(图 2)ꎮ
    收获小麦时发现 CK、CCN、CCN+G.v、 CCN+
G.m 等处理有明显的不同程度的空穗现象ꎬ而
CCN+Gi.m 处理无空穗现象ꎬCCN+G.m 处理基本
无空穗现象ꎮ 接种 CCN 处理的小麦株高、地上部
干重、单穗重和单株产量最低分别为 40.8 cm、1.41
g、0.23 g和 0.060 gꎻ而接种 Gi.m的则最高分别为
59.4 cm、3.08 g、1.12 g和 0.520 gꎮ 与 CCN处理相
比ꎬ所有 CCN+AMF处理均能增加小麦株高、地上
部干重、单穗重和单株产量ꎬ其中以 CCN+Gi.m 处
理的最高分别为 50.4 cm、2.93 g、0.92 g和 0.509 g
(表 4)ꎮ
3  讨论与研究前景展望
本试验结果首先表明ꎬAMF与 CCN存在相互
作用ꎬ一定条件下不同 AMF 与 CCN 存在一定程
度上的相互抑制作用ꎮ CCN 对 G.m 和 G.v 的抑
制作用较强ꎬ而对 Gi.m 和 G.i 和混合菌剂的抑制
作用较弱ꎬ甚至不影响ꎻGi.m 抑制 CCN 的效应最
强ꎮ 初步观察到ꎬ凡是受 CCN 影响或抑制作用较
弱的 AMF 其拮抗 CCN的作用就较强ꎮ 这可能与
AMF诱导的防御性酶活性有关(表 3)ꎮ 关于这一
点有待深入研究ꎮ
接种 AMF 能提高小麦植株多种防御性酶活
性、减少根结线虫的侵染以及对寄主细胞膜的破坏
作用ꎬ降低 MDA 在植物体内的积累ꎬ从而提高小
麦对 CCN 的抗性ꎮ 大多数试验表明ꎬ接种 AMF
能够提高植株体内防御性酶 SOD、 POD、 PAL、
CAT、几丁质酶等的活性[4ꎬ20~23]ꎬ本实验也证实供
试 AMF ̄Gi. m 显著提高了小麦根内防御性酶
SOD、POD、PAL和 CAT活性ꎬ抑制 CCN的繁殖和
侵染ꎬ降低病害程度、增加小麦单株产量ꎮ 这是国
内外首次报道盆栽条件下AMF与CCN的相互作
Fig. 1  Effects of AMF on CCN disease indexes on wheat plants of different stages
001
 
  1期 王小坤ꎬ等:丛枝菌根真菌与小麦孢囊线虫的相互作用
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301
 
植物病理学报 44卷
Fig. 2  Wheat growth status before heading stage in different treatments
用方面的试验结果ꎬ并且ꎬGi.m 是拮抗 CCN、提高
抗病性和增加产量的高效菌种ꎮ 因此ꎬ该研究为进
一步研发控制 CCN的新途径鉴定了基础和技术依
据ꎮ
尽管本试验是于温室条件下进行的ꎬ存在一定
局限性ꎬ今后可继续开展田间试验ꎻ同时结合分子
生物学技术ꎬ从 AMF 调控小麦抗病基因和拮抗
CCN的分子机制方面入手ꎬ开展系统深入的工作ꎮ
例如ꎬ已证实 AMF能够诱导植物抗病基因(例如:
VCH3和 PAL5基因ꎬ几丁质酶基因 Chib1)和防御
性蛋白(例如 PR 蛋白)的特异性表达ꎬ 提高植物
的抗病性[24~26]ꎻAMF能通过调节各种信号途径在
分子水平诱导表达特殊的蛋白质来抵御病原物的
入侵ꎬ还能调控一些病原物防御基因的表达[27~28]ꎮ
此外ꎬ还可以结合小麦生物学特性与增强 AMF 生
防效应的途径开展工作ꎮ 可以预见ꎬAMF 作为植
物土传病原物的生防制剂具有广阔的应用前
景[29]ꎮ
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责任编辑:张宗英
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