鄭雪坳,宋波濤,譚曉丹,陳惠蘭
(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/
國(guó)家蔬菜改良中心華中分中心,湖北武漢430070)
病蟲防治
馬鈴薯青枯病病原的鑒定
鄭雪坳,宋波濤,譚曉丹,陳惠蘭*
(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/
國(guó)家蔬菜改良中心華中分中心,湖北武漢430070)
利用湖北省四個(gè)地點(diǎn)的馬鈴薯青枯病樣本,對(duì)其病原物的菌落形態(tài)、碳水化合物利用、顯微形態(tài)、鞭毛引物序列、演化型以及致病力等方面進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,在2,3,5-氯化三苯基四氮唑培養(yǎng)基上檢測(cè)得到16個(gè)病原物菌落符合青枯菌菌落形態(tài)特征,包括菌落圓形,隆起,中間紅色,乳白色分泌物,并伴有褐色物質(zhì);顯微觀察16個(gè)病原物中僅有6個(gè)病原物具有短桿狀、兩端鈍圓的特點(diǎn);而其中能夠通過PCR擴(kuò)增得到鞭毛序列的病原物僅有源自武漢的HZ4-14和HZ5-1,序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)兩者序列一致且與GMI1000等已測(cè)序青枯菌株同源性達(dá)到99%;演化型測(cè)定結(jié)果顯示HZ4-14和HZ5-1均能得到144 bp的目標(biāo)條帶,為演化II型;利用四種不同馬鈴薯材料試管苗傷根接種鑒定結(jié)果顯示兩個(gè)菌株均具有一定致病力。結(jié)果表明,引起湖北省武漢市青枯病的病原物為雷爾氏青枯菌Ralstonia solanacearum,生理小種2號(hào),演化II型(美洲組)。
馬鈴薯;青枯菌;病原鑒定
馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)是世界第四大糧食作物,在保障糧食安全發(fā)展方面具有不可替代的作用[1]。2012年,中國(guó)馬鈴薯種植面積521萬hm2,總產(chǎn)量8 154萬t,單產(chǎn)15.7 t∕hm2;種植面積占世界馬鈴薯種植面積的1∕4[2]。而青枯病是由茄科雷爾氏細(xì)菌(Ralstonia solanacearum)引起的一種常見、易發(fā)和傳播迅速的土傳病害,在世界范圍內(nèi)廣泛存在[3],該細(xì)菌寄主廣泛,可侵染54個(gè)科的450種植物[4]。隨著中國(guó)南方冬作區(qū)和西南混作區(qū)馬鈴薯種植面積的進(jìn)一步擴(kuò)大,青枯病有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。近年來隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,湖北省低山平原馬鈴薯種植有了較大的發(fā)展,青枯病也在這個(gè)過程中迅速蔓延,但目前青枯病病原菌分布尚不十分明確,因此,進(jìn)行湖北省的青枯病調(diào)查與鑒定對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)及抗病防治具有重要的指導(dǎo)意義。
此外,青枯病茄科雷爾氏菌是一個(gè)復(fù)雜而多變的細(xì)菌[5],傳統(tǒng)的青枯菌鑒定方法是通過使用2,3, 5-氯化三苯基四氮唑(TTC)的青枯菌培養(yǎng)基進(jìn)行菌落挑選,并依據(jù)它們對(duì)6種碳水化合物(甘露醇、山梨醇、衛(wèi)矛醇、乳糖、麥芽糖、纖維二糖)的利用能力不同分為5個(gè)生化變種[6]。此后,隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(ELISA)和免疫熒光抗體染色(IF)等基于抗原抗體反應(yīng)的青枯病菌的鑒定技術(shù)陸續(xù)發(fā)展起來。近年來,隨著核酸檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,基于PCR的各種分子檢測(cè)方法也逐漸建立起來[7]。因此,本研究擬利用傳統(tǒng)菌落顯色、生化小種鑒定、PCR檢測(cè)等技術(shù)對(duì)湖北省馬鈴薯青枯病進(jìn)行了分離與調(diào)查,并利用不同抗性的馬鈴薯材料對(duì)分離物的致病能力進(jìn)行了測(cè)定,為湖北省馬鈴薯青枯病的防治與研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1.1 材料
病原菌:馬鈴薯發(fā)病植株、塊莖及土壤等病原物樣品分別取自湖北省武漢市、長(zhǎng)陽土家族苗族自治縣、隨州市和恩施市4個(gè)馬鈴薯生產(chǎn)試驗(yàn)田。對(duì)照細(xì)菌茄科雷爾氏菌HA4-1(演化型I)和G1(演化型I)分別由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所晏立英老師及山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李廣存老師惠贈(zèng)。
植物材料:二倍體野生種馬鈴薯S.chacoense 9701由本實(shí)驗(yàn)室保存,二倍體栽培種馬鈴薯S. tuberosum 10908-05由加拿大農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)食品部惠贈(zèng),二倍體野生種馬鈴薯S.chacoense 40-3(PI320285)和已測(cè)序品系二倍體原始栽培種S. phureja DM1-3均來自美國(guó)馬鈴薯種質(zhì)資源庫NPSP-6。
1.2 馬鈴薯病原物分離及BGT培養(yǎng)基的觀察
病原物自植株及薯塊的分離方法:將病樣植株和薯塊的表面清洗完后,用75%酒精的進(jìn)行消毒,如從疑似感病的植株莖部分離,則將莖部距根部的1∕3處剪斷,然后插入滅菌水中,靜置3~5 min,如果癥狀明顯,可以看到有白色的菌膿流出;而從疑似感病的薯塊分離時(shí),則可將薯塊切開,直接浸入無菌水中,浸泡2 h后的菌液備用;而從土壤中分離時(shí),則直接將無菌水按10∶1加入土壤中,攪拌均勻后,沉淀2 h后備用。
將菌液梯度稀釋后,涂布于BGT平板(蛋白胨10 g∕L,葡萄糖2.5 g∕L,酸水解酪蛋白1 g∕L,瓊脂粉15 g∕L,2,3,5-氯化三苯基四氮唑0.05 g∕L)上,28℃培養(yǎng)36 h,觀察其形態(tài)特征[8]。
1.3 病原菌生化小種的鑒定及顯微觀察
生化小種鑒定:配制青枯菌生化小種鑒定培養(yǎng)基(磷酸二氫銨1 g∕L,七水硫酸鎂0.2 g∕L,氯化鉀0.2 g∕L,蛋白胨1.0 g∕L,溴百里香酚藍(lán)0.03 g∕L,瓊脂3.0 g∕L),調(diào)節(jié)pH值至7.0~7.1,121℃高溫滅菌20 min備用。在培養(yǎng)基凝固前,分別加入過濾滅菌的碳源甘露醇、山梨醇、衛(wèi)矛醇、乳糖、麥芽糖或纖維二糖,使其濃度達(dá)到10%,同時(shí)以無菌水為空白對(duì)照(CK),每個(gè)碳源設(shè)置3次重復(fù)。試驗(yàn)時(shí)每管接入濃度為108cfu∕mL的菌液100 μL,置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。生化變種的分類是根據(jù)菌株對(duì)3種雙糖和3種己醇的氧化利用情況劃分為四種生化型或變種,即不能氧化3種雙糖和3種己醇的為生化變種1號(hào);只能氧化3種雙糖、不能氧化3種已醇的為生化變種2號(hào);能氧化3種雙糖和3種己醇的為生化變種3號(hào);只能氧化3種己醇、不能氧化3種雙糖的為生化變種4號(hào)[6]。
顯微觀察:將細(xì)菌劃線于BG培養(yǎng)基上,24 h后用無菌水清洗,制備懸浮液,將懸浮液染色后置于100倍顯微鏡下,觀察其形態(tài)特征。
1.4 病原菌的PCR鑒定及演化型鑒定
青枯菌特異性鞭毛基因的擴(kuò)增:BG平板培養(yǎng)24h后挑選單個(gè)克隆作為DNA模板。使用Sch?nfeld等[9]報(bào)道的鞭毛基因特異引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,其引物序列如下:Rsol-fliC-for:GAACGCCAACGGTG CGAACT;Rsol-fliC-rev:GGCGGCCTTCAGGGAGGTC。PCR反應(yīng)體系:擴(kuò)增反應(yīng)采用20 μL體系(Taq酶1U,MgCl22.0 mmol∕L,dNTPs 0.15 mmol∕L,引物0.4 μmol∕L)。
青枯菌演化型的鑒定:參照Fegan等[10]的方法測(cè)定5種細(xì)菌的演化型,所用PCR引物有Nmult:21:1F(CGTTGATGAGGCGCGCAATT演化型I);Nmult:21: 2F(AAGTTATGGACGGTGGAAGTC演化型II);Nmult: 23:AF(ATTACCAGAGCAA TCGAAAGATT演化型IV);
Nmult:22:InF(ATTGCCAAGACGAGAGAAGTA演化型III);
Nmult:22:RR(TCGCTTGACCCTATAACGAGTA)。試驗(yàn)所用引物均由上海生物工程有限公司合成。PCR反應(yīng)體系:25 μL反應(yīng)體系(Taq酶2 U,MgCl22.0 mmol∕L,dNTPs 0.2 mmol∕L,引物Nmult:21:1F,Nmult:21:2F和Nmult:22:InF各6 pmol∕L,Nmult:23:AF和Nmult:22: RR各1.8 μmol∕L)。
兩個(gè)反應(yīng)程序僅在退火溫度略不同,預(yù)變性95℃3 min,變性94℃30 s,退火分別為55℃和59℃30 s,延伸72℃30 s,30個(gè)循環(huán);72℃延伸10 min。擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物于2.0%的瓊脂糖凝膠中電泳,通過海爾凝膠成像儀觀察結(jié)果。
1.5 目標(biāo)序列測(cè)序及比對(duì)
用瓊脂糖凝膠電泳分離以上擴(kuò)增的基因或DNA片段,使用TaKaRa DNA gel回收試劑盒回收目標(biāo)片段,送武漢Sunny測(cè)序公司進(jìn)行測(cè)序,并將獲得的序列進(jìn)行網(wǎng)上BLAST比對(duì)分析(www.ncbi. nlm.nih.gov)。
1.6 不同病原菌的致病力檢測(cè)及比較
致病力檢測(cè)采用試管苗接種法,使用HZ4-14、HZ5-1、G1、HA4-1四種細(xì)菌,選用40-3、DM1-3、9701、10908-05四種馬鈴薯材料。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),每種細(xì)菌每份材料12株重復(fù),待植株生長(zhǎng)3周后,使用手術(shù)刀于無菌環(huán)境下傷根,每盒材料加入5 mL的108cfu∕mL菌液,在接種后第9 d統(tǒng)計(jì)發(fā)病指數(shù),發(fā)病等級(jí)分為0到4等級(jí)(0級(jí)無感病癥狀、1級(jí)少于或等于25%植株部分萎蔫,2級(jí)25%~50%植株部分萎蔫,3級(jí)50%~75%部分植株萎蔫,4級(jí)大于75%部分植株萎蔫或植株死亡)。
2.1 病原菌BGT培養(yǎng)基的形態(tài)觀察及生化小種的鑒定
為了驗(yàn)證湖北省馬鈴薯青枯病的分布情況,研究者對(duì)湖北省武漢、長(zhǎng)陽、隨州、恩施等地的疑似病株、塊莖和土壤等進(jìn)行了取樣。通過BGT培養(yǎng)基分離得到了78個(gè)疑似分離物,并從中挑選了16個(gè)中間紅色具有不同形態(tài)的分離物(圖1),以G1和HA4-1為對(duì)照,再劃BGT培養(yǎng)基平板,觀察不同分離物菌落形態(tài)的差異。結(jié)果表明,16個(gè)分離物中(表1),HZ1-8等10個(gè)分離物的菌落與對(duì)照細(xì)菌相似,表現(xiàn)為淡紅色,而H1-2等6個(gè)菌落中心呈現(xiàn)為深紅色;從周圍白色分泌物的有無來看,對(duì)照菌株HA4-1的菌落中央及周邊有大量的白色分泌物,而對(duì)照菌株G1僅有少量白色分泌物,而分離物中有9個(gè)能夠看到分泌白色物質(zhì);此外,從褐色物質(zhì)產(chǎn)生來看,有5個(gè)分離物與HA4-1相似,在菌落周圍有褐色物質(zhì)產(chǎn)生,而另外11個(gè)分離物則與G1相似,沒有觀察到褐色物質(zhì)。
2.2 病原菌在顯微鏡下的形態(tài)觀察
為了進(jìn)一步明確這些分離物的特征,以G1和HA4-1兩個(gè)菌株為對(duì)照,在100倍顯微鏡下對(duì)分離物的形態(tài)進(jìn)行了觀察,結(jié)果表明,HZ4-14,HZ5-1等6個(gè)菌與G1和HA4-1的形態(tài)相對(duì)一致,均為桿狀細(xì)菌,兩頭鈍圓,而HZ3-17等10個(gè)分離物的形狀為球狀(圖2)。而青枯菌為革蘭氏陰性菌,屬于變形菌門中的β變形菌綱薄壁菌目假單胞菌科茄科雷爾氏屬,菌體應(yīng)為兩端鈍圓的短桿狀,盡管HZ3-17等分離物雖然能在傳統(tǒng)分類的BGT培養(yǎng)基以及生化變種的鑒定的實(shí)驗(yàn)中得到與陽性對(duì)照一致性的結(jié)果,但它們并非青枯菌。
圖1 青枯菌在培養(yǎng)基上的形態(tài)學(xué)觀察Figure 1Morphology observation ofR.solanacearumon BGT plating
表1 BGT培養(yǎng)基形態(tài)學(xué)特征及生化小種鑒定Table 1Morphology ofR.solanacearumon BGT plating and biovar identification
圖2 青枯菌在顯微鏡下的形態(tài)學(xué)特征Figure 2Morphology ofR.solanacearumby microscope
2.3 PCR檢測(cè)與序列比對(duì)
為準(zhǔn)確地鑒定馬鈴薯青枯病原菌,選取了鞭毛基因特異引物進(jìn)行了16個(gè)分離物的PCR擴(kuò)增,結(jié)果表明,僅有HZ4-14、HZ5-1、G1和HA4-1 4個(gè)菌株擴(kuò)增得到了相應(yīng)大小的目標(biāo)條帶,其他菌株均沒有得到目標(biāo)條帶(圖3),由此說明研究者僅從武漢取樣點(diǎn)分離到了茄科雷爾氏菌。
為了保證擴(kuò)增序列的種間特異性與種內(nèi)保守性,研究者對(duì)鞭毛基因特異引物擴(kuò)增序列進(jìn)行了測(cè)序驗(yàn)證。對(duì)HZ4-14、HZ5-1的測(cè)序結(jié)果顯示,HZ4-14及HZ5-1序列同源性為100%,表明這兩種細(xì)菌可能是同一個(gè)細(xì)菌不同克隆。同時(shí)選取了9個(gè)已測(cè)序菌株及分離獲得的菌株的鞭毛基因序列進(jìn)行比對(duì)分析,結(jié)果表明,HZ4-14、HZ5-1的鞭毛基因序列與9個(gè)測(cè)序菌株的相應(yīng)基因的同源性均在99%以上(圖4);而進(jìn)一步利用NCBI數(shù)據(jù)庫blast結(jié)果顯示,R.picketti,R.mannitolytica等近緣種的序列相似性均低于95%,這表示雷爾氏菌的鞭毛序列在種內(nèi)高度保守性,且具有一定的種間特異性。
圖3 青枯菌分離物的PCR擴(kuò)增Figure 3PCR amplification ofR.solanacearum
圖4 不同青枯菌的FliC序列比較Figure 4Comparison of FliC sequences of differentR.solanacearumstrains
2.4 HZ5-1、HZ4-14的演化型鑒定
演化型測(cè)定結(jié)果顯示HZ5-1、HZ4-14演化型序列擴(kuò)增均得到280 bp的條帶,G1、HA4-1則得到了144 bp的條帶(圖5),根據(jù)Prior和Fegan的劃分標(biāo)準(zhǔn),HZ5-1、HZ4-14為演化型II(美洲組),G1、HA4-1為演化型I(亞洲型),因此,導(dǎo)致武漢市馬鈴薯青枯病的病原菌可能大部分為演化型II,即美洲組。
圖5 多重PCR鑒定青枯菌的演化型Figure 5Phylotype of R.solanacearum identified by multiplex-PCR
圖6 不同馬鈴薯不同菌株的病情指數(shù)比較Figure 6Comparison of disease index of different potatoes inoculated with differentR.solanacearum
2.5 不同病原菌致病力檢測(cè)及比較
為了研究分離的病原菌的致病力,本研究利用DM1-3、40-3等對(duì)青枯病具有不同抗性的材料對(duì)不同病原菌致病力進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果表明,整體上看HZ4-14、HZ5-1致病力顯著弱于HA4-1、G1,而且除了在9701的材料外,HZ4-14和HZ5-1之間的致病力上均無顯著性差異。而就材料抗性而言,以DM1-3和40-3的抗性相對(duì)較強(qiáng)(圖6)。
本研究通過對(duì)湖北省4個(gè)點(diǎn)的馬鈴薯病樣進(jìn)行了青枯菌的分離、生化變種鑒定、顯微觀察、PCR檢測(cè)、測(cè)序比對(duì)以及致病性檢測(cè),在武漢點(diǎn)分離得到了2個(gè)分離物HZ4-14和HZ5-1為薄壁菌門雷爾氏菌屬茄科雷爾氏菌,屬生化變種II,演化型II(美洲組)。同時(shí)對(duì)比HZ4-14和HZ5-1,它們雖來自不同的取樣點(diǎn),但其生化變種及演化型相同,同時(shí)序列比對(duì)結(jié)果也顯示出其鞭毛序列同源性為100%,因此,推測(cè)兩種細(xì)菌可能為相同菌株,可能為湖北省武漢點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)菌株。已有的研究表明,中國(guó)的青枯菌群體具有非常豐富的遺傳多樣性[11],而研究者從其他采樣點(diǎn)采集到的疑似感病植株中并未分離得到陽性分離物,其中原因仍有待研究。
傳統(tǒng)的青枯菌分離方法依據(jù)BGT培養(yǎng)基進(jìn)行分離,并根據(jù)6種化合物的利用能力進(jìn)行生化小種的劃分。而本研究使用BGT培養(yǎng)基觀察發(fā)現(xiàn)78個(gè)病原物中僅有16個(gè)病原物具有青枯菌菌落形態(tài)特征,這16種病原物均能對(duì)6種碳水化合物有不同程度的利用,而顯微觀察發(fā)現(xiàn)這其中僅有6個(gè)呈現(xiàn)短桿狀,兩端鈍圓的特征,而其中通過PCR鑒定的僅有2個(gè)病原物,這說明傳統(tǒng)的分離鑒定方法在準(zhǔn)確性方面仍舊需要改進(jìn)。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,各種各樣的檢測(cè)方法競(jìng)相報(bào)道,而其中PCR檢測(cè)方法又以靈敏、快速、低成本而被廣泛接受,但目前青枯菌PCR鑒定方法主要采用的具有高度保守型的16S及23S rDNA,其中16S的rDNA的部分種間的特異性較差,很難區(qū)分開R.picketti等菌株[8],因此目標(biāo)序列的種間特異性及種內(nèi)保守性是PCR鑒定的關(guān)鍵問題。目前已有13株不同的青枯菌已完成了測(cè)序[12],研究者可以通過生物信息學(xué)的方法進(jìn)一步優(yōu)化PCR鑒定體系,兼顧目標(biāo)序列的種間特異性及種內(nèi)保守性。因此,將傳統(tǒng)鑒定方法與分子生物學(xué)及生物信息學(xué)方法結(jié)合將更加全面、準(zhǔn)確地鑒定出青枯病病原菌。
從致病力的角度看,源于花生的HA4-1青枯菌(演化型I)和番茄的G1(演化性I)的致病力顯著強(qiáng)于本研究中從馬鈴薯上分離到的HZ4-14(演化型II)和HZ5-1(演化型II),已有部分研究報(bào)道青枯菌在非寄主植物比寄主植物具有更強(qiáng)的致病力,例如源于香蕉的青枯菌RUN292比源于馬鈴薯青枯菌Po82在馬鈴薯上具有更強(qiáng)的致病力[13]。除此之外,造成該情況的原因還有可能與不同的接種方法和接種條件相關(guān)。本文采用了試管苗傷根接種法,此方法具有快速、方便、簡(jiǎn)潔的特點(diǎn),但由于培養(yǎng)基生長(zhǎng)環(huán)境的單一性及試管苗的苗齡短的特點(diǎn),該方法與田間接種具有一定的差異。在接種溫度條件方面,青枯菌一般適宜的發(fā)病溫度為28~35℃,而前人的研究表明,一些馬鈴薯的青枯菌在最適宜生長(zhǎng)的溫度18~22℃情況下發(fā)病更為嚴(yán)重[14],而本研究采用了26℃作為發(fā)病溫度,該溫度超過低溫響應(yīng)的青枯菌發(fā)病溫度,因此本研究所分離的青枯菌HZ4-14、HZ5-1的最適發(fā)病溫度仍需進(jìn)一步的研究。
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Identification of Potato Bacterial Wilt Pathogens
ZHENG Xueao,SONG Botao,TAN Xiaodan,CHEN Huilan*
(College of Horticulture and Forestry Sciences/Key Laboratory of Horticultural Plant Biology(HAU),Ministry of Education/National
Center for Vegetable Improvement(Central China),Huazhong Agricultural University,Wuhan,Hubei 430070,China)
The colony morphology,carbohydrate utilization,microscopy,fliC sequence,phylotype and pathogenicity of RalstoniasolanacearumwerestudiedbyusingthediseasedpotatofromfourcitiesofHubeiProvinceinordertoinvestigatethe etiology of the disease bacterial wilt.Sixteen strains exhibited irregular round,upheaval,pink colonies with white margin differentially on BG medium with 2,3,5-triphenyl tetrazolium chloride.Six strains of them showed the targeted morphology of R.solanacearum by microscope.Only two strains had targeted fragments,which were amplified by the specific fliC primers. The targeted fragments were sequenced.The results revealed that HZ4-14 and HZ5-1 had 99%nucleotide matching with the fliC gene of R.solanacearum GMI1000.The results of phylotype multiple PCR indicated that the specific 144 bp fragments were amplified from two strains.HZ4-14 and HZ5-1 were virulent to potato and showed the typical bacterial wilt symptom. TheseresultsdemonstratethatthepathogenofbacterialwiltinWuhanbelongs toBivoarII,PhylotypeIIofR.solanacearum.
potato;Ralstonia solanacearum;identification
S532
A
1672-3635(2014)02-0083-07
2014-02-22
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“轉(zhuǎn)錄組結(jié)合快速基因定位策略解析馬鈴薯青枯病抗性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”(2013PY080);新進(jìn)高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“馬鈴薯抗青枯病基因的定位和挖掘”(201209)。
鄭雪坳(1989-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橹参锟共∩飳W(xué)。
陳惠蘭,教授,從事植物逆境生物學(xué)和遺傳育種方面的研究,E-mail:chenhuilan@mail.hzau.edu.cn。