全 文 :书甘肃中部地区禾谷镰孢的变异研究
李金花1,2,纪莉景3,柴兆祥2,KnightTE4,BurgessLW4
(1.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室,甘肃 兰州730070;2.甘肃农业大学草业学院植物病理学系,
甘肃 兰州730070;3.河北农林科学院植保所,河北 保定071001;4.澳大利亚悉尼大学农业、
食品和自然资源学院镰刀菌研究实验室,悉尼2006)
摘要:为掌握禾谷镰孢在甘肃中部地区的分布及变异情况,从根部表现有坏死和叶鞘发褐的小麦幼苗的不同部位、
小麦地土壤及玉米籽粒、玉米茎秆上分离禾谷镰孢,并以形态学为基础,参照 Nelson分类系统进行鉴定。结果表
明,在分离到的43个镰刀菌菌株中,有14个菌株经鉴定为禾谷镰孢,均从玉米茎秆上分离到,小麦根部、小麦叶
鞘、小麦地土壤、玉米籽粒中分离到的镰刀菌中未见禾谷镰孢。将禾谷镰孢在特定条件下培养后,发现14个禾谷
镰孢菌株产生子囊壳的数量不同,为2~90个。在以Fg16为引物的PCR反应中,随机选取的11个禾谷镰孢菌株
都产生0.41kb的PCR产物,而6个对照菌株都产生0.50kb的片段,证明引物Fg16可以区分禾谷镰孢菌株群体
的遗传多态性。以Tri13为引物的PCR反应显示,11个禾谷镰孢菌株以及3个中国对照菌株都产生脱氧雪腐镰
刀菌烯醇(DON)毒素,而3个澳大利亚对照菌株产生雪腐镰刀菌烯醇(NIV)毒素。
关键词:禾谷镰孢;子囊壳;真菌毒素;Fg16;Tri13;PCR
中图分类号:S435.121.4 文献标识码:A 文章编号:10045759(2009)01011807
禾谷镰孢(犉狌狊犪狉犻狌犿犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿)能侵染小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)、大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲)、水稻(犗狉狔
狕犪狊犪狋犻狏犪)、燕麦(犃狏犲狀犪狊犪狋犻狏犪)等禾谷类作物的穗、茎、茎基部和根部等部位,引起穗腐、茎腐、茎基腐和根腐病等
病害,也能侵染其他植物。虽然有时罹病植株受害症状不明显[1,2],但仍能造成作物减产和品质下降[3]。由于少、
免耕技术的大面积推广,禾谷镰孢已经成为世界性的植物病原物,其子囊壳中的子囊孢子能够通过气流传播,是
翌年的初侵染来源。其次,寄居在禾本科作物籽粒中的禾谷镰孢还产生包括脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)、雪腐
镰刀菌烯醇(NIV)和玉米赤霉烯酮(ZEA)等真菌毒素[4],这些作物产品不适合食用或饲用[5,6]的原因是DON、
NIV能抑制植物、动物蛋白质的生物合成[7,8]。禾谷镰孢引起的玉米穗茎腐和小麦赤霉病在中国发生普遍[9~12],
但在甘肃少见报道。甘肃大部分地区属于干旱和半干旱地区,但玉米小麦的间作和轮作以及作物的灌溉使得禾
谷镰孢对甘肃省禾谷类作物存在一定的潜在危险。本研究初步调查了禾谷镰孢在甘肃省中部地区玉米、小麦及
土壤中的分布状况,以及不同菌株所产毒素种类和子囊壳数量等特性,旨在为深入研究干旱和半干旱地区的禾谷
镰孢提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 标样的采集
2005年5月,在定西中部地区随机选择10块小麦田,随机挖取小麦幼苗,选择根部表现有坏死和叶鞘发褐
的幼苗;土样从相同的小麦田块中用土壤取样器以五点取样法取0~15cm的土样,混合均匀。玉米茎秆残体为
2004年收获、室外贮存带有黑色小颗粒的标样。玉米籽粒为2004年收获的陈粒。所有标样均分装在保鲜袋中
带回实验室分离。
1.2 镰刀菌的分离和纯化
小麦幼苗流水冲洗后,将小麦标样的根和叶鞘用70% 酒精消毒1min,切成0.5cm左右的小段后置于蛋白
胨五氯硝基苯(PPA,peptonePCNBagar:琼脂20g,蛋白胨15g,KH2PO41g,MgSO4·7H2O0.5g,五氯硝基
118-124
2009年2月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第18卷 第1期
Vol.18,No.1
收稿日期:20071206;改回日期:20080910
基金项目:澳大利亚ATSE/Crawford基金,甘肃省科技厅(甘科计[2001]21号)和甘肃省教育厅项目(032208)资助。
作者简介:李金花(1972),女,甘肃秦安人,副教授。Email:ljh@gsau.edu.cn
通讯作者。Email:jiangze@public.lz.gs.cn
苯1g,蒸馏水1000mL,灭菌后当培养基温度降到55℃左右时加入适量硫酸链霉素和新霉素)[13]培养基上。土
样用0.2%的水琼脂稀释成1/200的浓度,吸取1mL后均匀涂在PPA上。玉米茎秆直接用70%的酒精擦拭表
面,用解剖刀切取上面的黑色小颗粒,置于PPA平板上。玉米籽粒于分离前用70%酒精消毒、灭菌水冲洗3次
后,在灭菌水中浸泡过夜,次日将籽粒纵切后置于PPA上。
PPA平板培养7d左右,将镰刀菌纯化至康乃馨叶琼脂(CLA:琼脂20g,水1000mL,康乃馨叶片若干)[13]
培养基上,10d左右后将CLA上的镰刀菌菌落单孢分离至CLA和马铃薯葡萄糖琼脂(PDA:马铃薯250g,葡萄
糖15g,琼脂20g,水1000mL)[13,14]培养基上用于鉴定和保存(-70℃冰箱)。以上3种平板均在特定条件下的
镰刀菌培养室中培养[15]。
1.3 镰刀菌的鉴定
参照Nelson分类系统[13],以CLA上小孢子和厚壁孢子的有无及产生方式、大孢子的形态及产生方式、PDA
上的菌落形态及颜色、单孢子在25℃、30℃全黑暗72h的菌落直径进行鉴定。
1.4 禾谷镰孢子囊壳的产生
将4片经辐射消毒的康乃馨圆片(直径4mm)置于水琼脂(WA:琼脂20g,蒸馏水1000mL)[16]平板(培养
皿直径为90mm,内有30mL的 WA培养基)周围,WA平板中央接种一片PDA上培养的直径为5mm的菌饼,
置于白天22℃有光照/晚上20℃全黑暗各12h的光照培养室中培养21d后,在体视显微镜下镜检每平板产生子
囊壳的数量。每个菌株重复4个平板。
1.5 DNA的提取、检测和PCR扩增
从分离到的禾谷镰孢中,随机选取11株在DNA水平进行分析。菌株在PDA上生长5d后,分别刮取菌丝
于1.5mL离心管中,按照DNA提取试剂盒(购自QbiogeneInc.Irvine,加拿大)上的操作步骤提取DNA,以2.5
μL的 HyperladderI(购自E&KScientific,SantaClara,California,美国)确定DNA的浓度
[17]。
以25μL体系进行PCR扩增
[17],使用引物[18~20]
见表1,以不加DNA为阴性对照。PCR反应包括10
×Taqbuffer2.5μL,2.5mmol/LdNTP2μL,10
μmol/L的引物1μL,模板DNA1μL,5U/μLTaq酶
0.25μL,超纯水将反应体系补至25μL。PCR反应热
循环参数设置为:预变性94℃4min;94℃变性30s,
55℃退火30s,72℃延伸2min,进行35个循环;72℃
延伸10min[17]。
1.6 PCR产物的纯化和检测
PCR产物采用北京天为时代科技有限公司的离
表1 本试验中使用的引物及其序列
犜犪犫犾犲1 犘狉犻犿犲狉狊犲狇狌犲狀犮犲狊狌狊犲犱犻狀犿狅犾犲犮狌犾犪狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪狋犻狅狀狊狋狌犱犻犲狊
引物名称Primer 序列Sequence(5′to3′)
Tri13前引物 Tri13forward tacgtgaaacattgttggc
Tri13后引物 Tri13reverse ggtgtcccaggatctgcg
Fg16前引物Fg16forward ctccggatatgttgcgtcaa
Fg16后引物Fg16reverse ggtaggtatccgacatggcaa
心柱型PCR产物纯化试剂盒(普通型)进行纯化,纯化后的PCR产物于4℃短期保存[17]。取6~8μL扩增产物
于1%的琼脂糖凝胶上电泳,利用成像系统成像。
2 结果与分析
2.1 镰刀菌的种群分布
共分离到43个镰刀菌菌株,其中从小麦根部分离到6个镰刀菌菌株,小麦叶鞘上分离到3个,小麦地土壤共
分离到11个,玉米籽粒上分离到3个,玉米茎秆上分离到20个。禾谷镰孢14个,占32.6%,均从玉米茎秆上分
离到,变褐的小麦根以及小麦叶鞘上未分离到禾谷镰孢(表2)。
2.2 禾谷镰孢的鉴定特征
PDA上的菌丝呈羊毛状,淡黄色至淡玫瑰红。菌落在PDA中产生玫瑰红色素。CLA上产生玫瑰红色素,
形成大量的淡橘红色分生孢子座。不产生小型分生孢子。有的菌株产生厚垣孢子,有的菌株不产生。生长在
CLA上的子囊壳呈黑色小点(图1)。大型分生孢子产生于子座中分枝的分生孢子梗上,镰刀状或较直,通常5或
6个隔膜,顶胞渐尖,足胞脚后跟状(图2)。
911第18卷第1期 草业学报2009年
表2 甘肃中部地区禾谷镰孢的分离来源和数量
犜犪犫犾犲2 犛狅狌狉犮犲狊犪狀犱狇狌犪狀狋犻狋狔狅犳犉.犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿犻狊狅犾犪狋犲犱犳狉狅犿狋犺犲犿犻犱犱犾犲狅犳犌犪狀狊狌
菌株编号Isolatescode 菌株分离来源Sourcesofisolates 菌株数Quantityofisolates 菌株分类地位Taxonomicalpositionofisolates
C1~C6 小麦根Rootof犜.犪犲狊狋犻狏狌犿 6 镰刀菌犉狌狊犪狉犻狌犿spp.
C7~C9 小麦叶鞘Sheathof犜.犪犲狊狋犻狏狌犿 3 镰刀菌犉狌狊犪狉犻狌犿spp.
C11~C13 玉米籽粒 Kernalof犣.犿犪狔狊 3 镰刀菌犉狌狊犪狉犻狌犿spp.
C14~C27 玉米茎秆Stalkof犣.犿犪狔狊 14 禾谷镰孢犉.犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿
C28~C38 小麦地土壤Soilin犜.犪犲狊狋犻狏狌犿feild 11 镰刀菌犉狌狊犪狉犻狌犿spp.
C39~C43 玉米茎秆Stemof犣.犿犪狔狊 6 镰刀菌犉狌狊犪狉犻狌犿spp.
2.3 禾谷镰孢不同菌株产生子囊壳的情况
图1 犆犔犃上禾谷镰孢的培养性状和康乃馨叶片上的子囊壳
犉犻犵.1 犆狌犾狋狌狉犪犾犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犉.犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿狅狀犆犔犃
犪狀犱犻狋狊狆犲狉犻狋犺犲犮犻犪狅狀犮犪狉狀犪狋犻狅狀犾犲犪犳狆犻犲犮犲狊
图2 禾谷镰孢大型分生孢子
犉犻犵.2 犕犪犮狉狅犮狅狀犻犱犻犪狅犳犉.犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿
不同来源的禾谷镰孢菌株产生子囊壳的数量不
同。产生数量最大的为C20菌株,每平板产生90
个子囊壳;产生数量最少的为C18和C22菌株,每
平板仅产生2个子囊壳。从甘肃武威辣椒(犆犪狆狊犻
犮狌犿犳狉狌狋犲狊犮犲狀狊)根部和湖北小麦麦穗上分离到的对
照菌株C46、C47和C48每平板产生子囊壳的数量
分别为1,1和2个(表3)。
2.4 引物Fg16对不同来源的禾谷镰孢的多样性
分析
对不同菌株的DNA以引物Fg16进行扩增后,
PCR产物的片段大小也有差异。从甘肃中部分离
到的菌株中,除了 C18没有出现任何大小的片段
外,其余均产生大小为0.41kb的片段,而对照菌株
A1和C47都产生0.50kb的片段(图3)。证明引物
Fg16能分析不同来源菌株的多样性。
2.5 禾谷镰孢不同菌株的产毒情况
以特一性毒素产生引物 Tri13对不同菌株
DNA进行PCR扩增后,随机选取的11个甘肃菌株
和中国的另外3个对照菌株C46、C47和C48都产
生大小为234bp的片段,3个分离自澳大利亚玉米
籽粒上的对照菌株A1、A2和A3都产生大小为415
bp的片段。从PCR产物片段大小来看,中国的这
些菌株都产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)毒素,而
3个澳大利亚菌株都产生雪腐镰刀菌烯醇(NIV)毒
素。部分菌株Tri13的PCR电泳结果见图4。
3 结论与讨论
本试验从甘肃中部地区共分离到14个禾谷镰
孢菌株,占所分离镰刀菌的32.6%。随机选取的11个菌株与3个不同来源的其他中国菌株在子囊壳的产生数
量上有差异;并且引物Fg16能分析不同来源禾谷镰孢的多样性;这11个菌株都产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇
(DON)毒素。
021 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.1
表3 禾谷镰孢子囊壳的产生数量和毒素类型
犜犪犫犾犲3 犞犪狉犻犪狋犻狅狀犻狀狆犲狉犻狋犺犲犮犻犪狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀犪狀犱狋狔狆犲狅犳犿狔犮狅狋狅狓犻狀犫狔犉.犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿
菌株编号
Isolates
code
分离来源
Sourcesofisolates
每平板平均子囊
壳个数 Meanper
itheciaquantity
perpetridish
引物Fg16PCR
产物片段大小
BandatFg16
primer(kb)
引物Tri13PCR
产物片段大小
BandatTri13
primer(bp)
毒素类型
Typeofmycotoxin
C20 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 90 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C19 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 72 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C21 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 63 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C15 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 57 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C16 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 44 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C14 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 38 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C17 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 23 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C24 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 11 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C23 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 4 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C18 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 2 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C22 玉米秆,甘肃Stalkof犣.犿犪狔狊,Gansu 2 0.41 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
A1 玉米籽粒,澳大利亚Kernelof犣.犿犪狔狊,Australia 8 0.50 415 雪腐镰刀菌烯醇NIV
A2 玉米籽粒,澳大利亚Kernelof犣.犿犪狔狊,Australia 31 0.50 415 雪腐镰刀菌烯醇NIV
A3 玉米籽粒,澳大利亚Kernelof犣.犿犪狔狊,Australia 10 0.50 415 雪腐镰刀菌烯醇NIV
C46 辣椒,武威,甘肃犆.犳狉狌狋犲狊犮犲狀狊,Wuwei,Gansu 1 0.50 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C47 小麦赤霉病病穗,湖北 WheatFHB,Hubei 1 0.50 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
C48 小麦赤霉病病穗,湖北 WheatFHB,Hubei 2 0.50 234 脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON
图3 引物犉犵16扩增禾谷镰孢菌株犇犖犃后的犘犆犚产物片段大小
犉犻犵.3 犅犪狀犱狊狆狉狅犱狌犮犲犱犫狔犻狊狅犾犪狋犲狊犳狉狅犿犿犻犱犱犾犲犌犪狀狊狌犪狀犱狉犲犳犲狉犲狀犮犲犻狊狅犾犪狋犲狊犪狋狋犺犲犉犵16狊犲犾犲犮狋犻狏犲犘犆犚
泳道1:1100bpladder;泳道2~4,6,8~14:甘肃菌株C14~C24;泳道5:A1;泳道7:C47;泳道15:空白对照
Lane1:1100bpladder;Lane2-4,6,8-14:GansuisolatesC14-C24;Lane5:A1;
Lane7:C47;Lane15:Negativecontrol
禾谷镰孢能侵染小麦、大麦、水稻、燕麦等禾谷类作物的穗、茎、茎基部和根部等部位,引起穗腐、茎腐、茎基腐
和根腐病等病害,但是受环境因素特别是湿度的影响较大,温暖、湿润的长江流域分布普遍,干旱的年份和地区发
121第18卷第1期 草业学报2009年
图4 引物犜狉犻13扩增禾谷镰孢菌株犇犖犃后的犘犆犚产物片段大小
犉犻犵.4 犈犾犲犮狋狉狅狆犺狅狉犲狊犻狊狅犳犜狉犻13犘犆犚狆狉狅犱狌犮狋犳狉犪犵犿犲狀狋犪狋415犫狆犻狀犱犻犮犪狋犲狊犖犐犞犮犺犲犿狅狋狔狆犲,
234犫狆犳狉犪犵犿犲狀狋犻狀犱犻犮犪狋犲狊犇犗犖犮犺犲犿狅狋狔狆犲
泳道1~3:对照菌株A1~A3;泳道4~11:试验菌株C17~24;泳道12:空白对照;泳道13:Hyperladder
Lane1-3:ContrlA1-A3;Lane4-11:IsolatesC17-C24;Lane12:Negativecontrol;
Lane13:Hyperladder
生轻[18~24]。甘肃中部为半干旱地区[25~27],在小麦的生长季(3-6月)通常较为干旱,所以从小麦叶鞘和小麦地
土壤中未能分离到禾谷镰孢菌株,而恰恰相反,从玉米茎秆上分离到了大量的禾谷镰孢菌株。因为玉米收获后,
种植者将玉米秸秆存放于田间地头,暴露于秋季雨水中[27],使得玉米秸秆成为禾谷镰孢产生子囊壳的温床,这可
从玉米秸秆上带有大量的黑色小颗粒和本试验的鉴定结果得以证明。同时,从采集的玉米秸秆标样上观察到大
量的子囊壳,并且通过子囊壳获得禾谷镰孢,说明禾谷镰孢可以在甘肃中部地区越冬。再者,由于甘肃气候的多
样性[28,29],越冬的子囊壳对种植在甘肃的禾谷类作物来说是一个潜在威胁。鉴于此,对禾谷镰孢在甘肃的分布
监测、毒性变异等问题有待深入研究。
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321第18卷第1期 草业学报2009年
犃狊狋狌犱狔狅狀狋犺犲狏犪狉犻犪狀犮犲狅犳犉狌狊犪狉犻狌犿犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿狊犪犿狆犾犲犱犳狉狅犿犮犲狀狋狉犪犾犌犪狀狊狌
LIJinhua1,2,JILijing3,CHAIZhaoxiang2,KnightTE4,BurgessLW4
(1.GansuKeyLaboratoryofCropImprovementandGermplasmEnhancement,Lanzhou730070,China;
2.DepartmentofPlantPathology,ColegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,
Lanzhou730070,China;3.InstituteofPlantProtection,HebeiAcademyofAgriculturaland
ForestryScience,Baoding071001,China;4.FusariumResearchLaboratory,Facultyof
Agriculture,FoodandNaturalResources,UniversityofSydney,
NSW,Sydney2006,Australia)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theoccurrenceof犉狌狊犪狉犻狌犿犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿on犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿and犣犲犪犿犪狔狊,inthemiddleareas
ofGansuProvince,Chinawasassessedbyisolationof犉狌狊犪狉犻狌犿speciesfrom犜.犪犲狊狋犻狏狌犿rootswithbrownrot
symptoms,from犜.犪犲狊狋犻狏狌犿sheaths,犜.犪犲狊狋犻狏狌犿soil,犣.犿犪狔狊kernels,and犣.犿犪狔狊stalks.犉狌狊犪狉犻狌犿iso
lateswereidentifiedbymorphologyaccordingtoNelson’ssystem.Fourteenof43犉狌狊犪狉犻狌犿isolateswere犉.
犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿.Itwasisolatedonlyfromcornstalks.These14isolatesproducedbetween2and90perithecia
each.PCRusingtheFg16primersetresultedinaproductof0.41kbfromal14isolatesandof0.50kbfrom
the6referenceisolates.Itsuccessfulydifferentiatedbetweenthe犉.犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿isolates.PCRreactionsu
singtheTri13primershowedthatal14isolatesandthethreeChinesereferenceculturesproducedDONwhile
thethreeAustralianreferenceisolatesproducedfragmentsof415bpshowingthattheyproducedNIV.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犉狌狊犪狉犻狌犿犵狉犪犿犻狀犲犪狉狌犿;perithecium;mycotoxin;Fg16;Tri13;PCR
421 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.1