科研进展

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亮文解读 | 非寄主植物根系和根系分泌物对烟草黑胫病菌侵染过程的干扰

发布时间:2021-11-05 发布人:唐静月 浏览次数:877
作物多样性与可持续农业:机制、设计和应用

Crop Diversity and Sustainable Agriculture

专 辑 文 章 介 绍

 · 第七篇 · 
 


 

英文题目Interference by non-host plant roots and root exudates in the infection processes of Phytophthora nicotianae

中文题目:非寄主植物根系和根系分泌物对烟草黑胫病菌侵染过程的干扰

期刊名称:Frontiers of Agricultural Science and Engineering(FASE)

发表年份:2021年

第一作者:杨宇新,张贺,方玉婷

通讯作者:杨敏,刘屹湘

图片 yangminscnc@126.com, lyxhj@hotmail.com

作者单位:云南农业大学

Cite this article

Yuxin YANG, He ZHANG, Yuting FANG, Ying LI, Xinyue MEI, Huichuan HUANG, Fei DU, Shusheng ZHU, Min YANG, Yixiang LIU. INTERFERENCE BY NON-HOST PLANT ROOTS AND ROOT EXUDATES IN THE INFECTION PROCESSES OF PHYTOPHTHORA NICOTIANAE. Front. Agr. Sci. Eng., 2021, 8(3): 447‒459 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021399
 

Highlights

       1. 非宿主植物根系干扰烟草黑胫病菌的侵染。

       2. 香兰素等化合物在茴香根的抗菌活性中起关键作用。

       3. 活性氧(ROS)积累是抗菌物质抑制烟草黑胫病菌的潜在机制。
 

研究背景

       作物间作或轮作种植模式增加生物多样性广泛应用于农业生态系统,以减少病虫害的发生和降低其严重程度,提高作物产量。种间根系特异性互作能有效抑制这些系统中的土壤病原体,了解特定病原体的寄主范围,对于避免经济作物生产中的病菌侵染具有重要意义。
       非寄主植物分泌的抗菌化合物对土壤病原体的抑制作用已被确定为间作和轮作系统病害防治的主要解释。前人研究发现,油菜根系能吸引烟草黑胫病菌游动孢子,同时抑制游动孢子运动和孢子的产生,有助于降低烟草田中的黑胫病。这一现象在大蒜与辣椒、玉米与辣椒、玉米与大豆的互作中也有发现,这可能是抑制植物在间作和轮作系统中抑制黑胫病的一个重要因素。除油菜外,烟草也可以与其他作物间作或轮作,以降低田间病害发生率,减少土壤中病原体数量。但植物根系分泌物与黑胫病菌游动孢子之间的相互作用在根际难以观察到,可能受到微生物、营养物质、环境条件和营养因素的影响。因此,潜在机制仍有待充分阐明。
茴香是一种典型的多用途芳香植物,其提取物具有广泛的抗菌活性,可以与洋葱、辣椒、番茄或其他作物搭配种植,增加经济效益, 
       减少病虫害和病原菌的危害。活性氧( reactive oxygen species,ROS )在植物与病原菌的相互作用中提供了重要的信号机制,在植物抵抗病害和病原体侵染过程中具有重要作用。根部散发的天然抗菌活性物质可以通过诱导ROS积累来干扰土壤病原体的侵染。因此,ROS积累可能是非寄主植物根系抑制黑胫病的关键。
       该研究采用气相色谱-质谱( GC-MS )和高压液相色谱( HPLC )对茴香根系分泌物中的抗菌物质进行鉴定,并测试其对黑胫病菌侵染过程的抗菌活性,研究茴香根系/根系分泌物与黑胫病菌的相互作用。同时测定了菌丝体中的ROS含量,解释茴香降低田间烟草黑胫病发病率的机理。
 
研究方法

       本次试验所用茴香(四季栽培品种)取自中国昆明市慈坝农产品市场,在大田土壤中生长45天。烟草黑胫病YXCJ-1菌株由云南农业大学生物资源保护与利用国家重点实验室提供,该实验室在V8培养基上培养。其在温度为25℃,12:12 h L:D的光照条件下培养7天,以产生孢子囊。刮取菌丝体,加入无菌水,4℃冷藏30 min,再恢复室温30 min,释放游动孢子。用纱布过滤,在血细胞计数器上稀释至105个孢子mL-1,制成游动孢子悬液。
 

 研究结果 

茴香根系干扰游动孢子的行为和发育

       烟草黑胫病菌的游动孢子对茴香根系表现出强烈的趋化性(图1)。茴香根系吸引烟草黑胫病菌游动孢子,抑制了游动孢子的运动和囊孢子的萌发,导致孢子的破裂。
 

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图1 茴香根系和烟草黑胫病菌游动孢子间的相互作用
 

茴香根系分泌物对烟草黑胫病菌菌丝生长的抑制作用

       茴香根系分泌物对烟草黑胫病菌菌丝生长表现出显著的剂量依赖性和抗菌活性(图2)。当浓度为1000 mg·L-1时,抑制率为47.6%。茴香根系分泌物抑制了烟草黑胫病菌菌丝的生长,使病原菌丧失侵染能力。因此,茴香根系与烟草黑胫病菌的互作可能解释了茴香-烟草轮作中黑胫病发病率较低的原因。
 

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图2 茴香根系分泌物对烟草黑胫病菌菌丝生长的影响
 

茴香根系分泌物中鉴定出的化合物

       通过GC-MS确定了35种假定化合物(相似性>80%)。这些化合物包括六种酸、四种酯、两种含氮化合物、五种烷烃、四种酮、四种酚、一种胺、五种酰胺和四种其他化合物(图S1)。
 
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图S1 茴香植株根系分泌物的GC色谱图
 

根系分泌物化合物对烟草黑胫病菌的抑制作用

       使用纯化合物测试了茴香根分泌物中11种化合物的抗菌活性(图3)。丙酸、氯碘甲烷、丁酸、2,2,4,6,6-豌豆甲基庚烷、N-甲基苯丙胺、N-甲酰基哌啶、N-环己基甲酰胺、4-乙基苯乙酮、香兰素、棕榈酸、苯并噻唑和巴豆酸对烟草黑胫病菌的菌丝生长表现出剂量依赖性抑制活性。
 

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图3 通过GC-MS鉴定的茴香化合物对烟草黑胫病菌菌丝生长的影响
 

根系分泌物化合物对烟草黑胫病菌的侵染过程表现出很强的活性

       通过HPLC进一步分析了茴香根系中上述抗菌化合物的浓度。只有4-乙基苯乙酮、香草素和N-甲酰基哌啶通过HPLC进行定量(图4)。在三种化合物中,N-甲酰基哌啶对烟草黑胫病菌的游动孢子表现出最强的正趋化性,而另外两种化合物没有表现出明显的正趋化性。然而,4-乙基苯乙酮和香草素对烟草黑胫病菌的游动孢子表现出剂量依赖性抑制作用,而N-甲酰基哌啶则无。香草素表现出最强的抑制游动孢子运动活性,在10 mg·L-1下5分钟后被抑制72.6%。这三种化合物对孢子萌发没有表现出抑制作用,但对烟草黑胫病菌菌丝生长具有显著的剂量依赖性抑制活性。
 
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图4 化合物对烟草黑胫病菌游动孢子趋化性(a)、游动孢子运动性(b)、孢囊萌发(c)和菌丝生长(d)的影响
 

关键化合物改变了烟草黑胫病菌菌丝形态

       未暴露于关键化合物的菌丝正常生长,但暴露于这些化合物后菌丝形态表现异常(图5)。在三种关键化合物的存在下,菌落边缘的菌丝密集而短,分支更多。用200 mg·L-1的4-乙基苯乙酮和香草素处理的菌丝在6天后产生更多异常分支。然而,用N-甲酰基哌啶处理的菌丝没有表现出任何显著变化。
 
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图5 在光学显微镜下观察菌落边缘
 

活性氧的定性和定量评估

       由DCHF-DA的信号确定,三种关键化合物(4-乙基苯乙酮、香草素和N-甲酰基哌啶)显著增加细胞溶胶中的细胞内ROS水平,在对照中很少检测到与DCHF-DA绿色信号相关的细胞(图6)。此外,还在与200 mg·L-1 4-乙基苯乙酮、200 mg·L-1 香草素和 800 mg·L-1 N-甲酰基哌啶孵育的菌丝中测定了ROS。结果表明,与对照相比,H2O2和氧自由基的积累随着香兰素处理而增加,但其他化合物没有增加。
 

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图6 三种关键根须分泌物化合物对烟草黑胫病菌菌丝中ROS浓度的影响

 
结论

        我们使用茴香根和烟草来研究茴香-烟草轮作中抑制黑胫病菌的机制。非寄主植物(茴香)产生的根系分泌物吸引了烟草黑胫病菌的游动孢子,并分泌了一系列杀死病原体的抗菌化合物。在茴香根际中发现了三种抗菌化合物,即4-乙基苯乙酮、香草素和N-甲酰基哌啶,它们可以抑制烟草黑胫病菌的各种侵染过程。此外,ROS 积累可能是茴香根抑制烟草黑胫病菌的主要机制。
 

文章链接

       原文链接:https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-202139