魔芋软腐病发病过程动态研究及基于QS系统的防治研究

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魔芋(Amorphophallus konjac)是天南星科的多年生草本作物,因富含葡甘聚糖(KGM)而被广泛应用。软腐病是魔芋种植中常见的植物病害,是制约魔芋产业发展的重要因素之一。魔芋软腐病的发生是由群体感应系统(quorum sensing,QS)介导,通过分泌信号分子AHLs至阀值浓度时诱导病原菌胞外降解酶的表达、分泌,并作用于魔芋细胞,使魔芋组织瓦解,导致植株发病死亡。本文开展了病原菌的分离、鉴定和特性研究,解析了魔芋软腐病的发病过程,并初步研究了QS系统及其钝化,为研究魔芋软腐病发病机理及防治提供了新思路。本研究取得成果如下:(1)从发病魔芋植株中分离到两株软腐病病原菌:ZX-1和ZX-2,以课题组前期分离的ES09菌株为对照,通过多项生理生化指标鉴定和16S rDNA全长测序,最终确定新分离到的两株病原菌ZX-1和ZX-2为菊欧文氏菌(Erwinia chrysanthemi, Ech)。研究22℃、28℃和35℃下三种病原菌的生长速度、胞外降解酶表达、致病力和繁殖数量,结果表明,随温度升高,病原菌生长加快、对魔芋的致病力越强,且降解酶活性也很明显。其中ES09单位细胞胞外降解酶变化不大,但因侵染时繁殖数量的迅猛增加使得其致病力在35℃时仍最强。(2)构建了一株可以表达绿色荧光蛋白的病原菌ES09-GFP,通过研究接种病原菌的魔芋叶片和叶柄中绿色荧光的分布,以及发病前后魔芋组织结构的变化情况,解析了魔芋软腐病的发病过程:病原菌可从植株不同部位如叶片、叶柄、球茎和芋鞕的伤口侵入魔芋,随维管系统纵向扩散至叶片和球茎,或横向扩散至周边皮层,魔芋发达的维管系统有利于病原菌在植株内纵向扩散。病原菌入侵魔芋植株后,可能先在维管束中增殖,通过分泌胞外降解酶,依次降解魔芋的维管细胞、薄壁细胞和结构较致密的厚壁细胞,最后达到皮层,使得魔芋组织结构瓦解,表现出软腐病症。此外,接种处荧光最强烈且软腐最严重,叶片和叶柄其他部位表面虽未明显软腐但仍有病原菌存在,说明病原菌需积累到一定生物量时才开始降解植物细胞,使魔芋组织表现软腐症状,故在魔芋中证实了欧文氏菌群体感应系统的作用机制。(3)使用A136和CV026两株报告菌株检测病原菌产生的AHLs,ES09、ZX-1和ZX-2均能诱导A136的QS系统,但不能诱导CV026的QS系统,进一步证实了魔芋软腐病病原菌的QS系统调节机制。同时,研究了五种抗生素对病原菌QS系统的钝化作用,结果表明:当新霉素和壮观霉素浓度为50~100μg/mL时可以使得A136菌带完全无色,钝化效果最强,红霉素的效果次之,而庆大霉素和妥布霉素在1~100μg/mL时效果不明显。这表明使用抗生素钝化病原菌的QS系统可以作为缓解软腐病发生的一种手段。
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