杜公?!↑S永 黃大野 倪征平 李曉亮 彭家麗 劉維俠 戚志強(qiáng)
關(guān)鍵詞:微生物菌劑;辣椒疫?。环揽匦Ч?;土壤細(xì)菌群落
中圖分類號:S436.418.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
辣 椒 疫 病 是由辣椒疫霉菌( Phytophthoracapsici)引起的一種毀滅性的土傳病害[1],自該病在我國被發(fā)現(xiàn)以來,在有辣椒種植的省份均有發(fā)生與危害,可為害辣椒莖稈、果實、葉片等部位,常造成全株萎蔫死亡,一般可造成20%~30%的產(chǎn)量損失,嚴(yán)重時甚至絕收,辣椒疫病的防控已成為辣椒生產(chǎn)中亟需解決的重大難題[2-3]。辣椒是海南主要冬季瓜菜之一,種植面積約4×104hm2,占冬季瓜菜種植面積的20%[4],其產(chǎn)品主要在“兩節(jié)”期間銷往國內(nèi)各大城市,因此,在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面實行最嚴(yán)格的規(guī)定,為了杜絕農(nóng)藥殘留超標(biāo),在2021 年海南省印發(fā)的《海南省化學(xué)農(nóng)藥化肥減量實施總體方案》中指出,到2025 年化學(xué)農(nóng)藥使用量較2020 年減少15%,在此背景下,尋找能夠減少化學(xué)農(nóng)藥施用的高效防控辣椒疫病的手段成為辣椒產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵。
目前,化學(xué)農(nóng)藥、輪作、嫁接等常規(guī)措施均能在辣椒疫病防控中起到一定的效果,但受到抗藥性、農(nóng)藥殘留與環(huán)境污染、土地因素、生產(chǎn)成本等問題的影響,在實際生產(chǎn)中均存在一定的限制[5-6],而有益微生物的應(yīng)用將不受這些因素的限制,是一種高效、綠色、環(huán)境友好的防控技術(shù),符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。因此,有效微生物菌劑的篩選和應(yīng)用是辣椒疫病綠色防治的重要工作。近年來,許多研究表明,多種有益微生物對辣椒疫病具有生物防治作用,包括芽孢桿菌、木霉菌及放線菌等[7-10]。芽孢桿菌和木霉菌繁殖速度快、生命力強(qiáng),在與棲居微生物競爭時,因有較強(qiáng)的定殖能力而具有明顯的優(yōu)勢,并能產(chǎn)生有機(jī)酸、酶以及抗菌肽等豐富的代謝物,從而有效抑制病原菌生長[11-14]。韓永琴等[15]利用109 CFU/g 多黏類芽胞桿菌可濕性粉劑、25%嘧菌酯懸浮劑和68%精甲霜·錳鋅水分散粒劑對辣椒疫病進(jìn)行防效試驗,防效分別為74.35%、71.54%和76.30%;胡建坤等[16]利用50%烯酰嗎啉可濕性粉劑、687.5 g/L 氟菌·霜霉威懸浮劑和15%木霉可濕性粉劑對辣椒疫病進(jìn)行田間防效試驗,防效分別為65.08%、68.99%和67.04%,這些研究結(jié)果說明多黏類芽胞桿菌、木霉菌已經(jīng)達(dá)到與化學(xué)農(nóng)藥同等的防治效果。
目前用于防治辣椒疫病的微生物菌劑較多,但防治效果的穩(wěn)定性存在不確定性[17],導(dǎo)致種植戶選擇困難;另外,已有的研究大多關(guān)注防病效果、地上部性狀和基于傳統(tǒng)方法可培養(yǎng)微生物群落分析[18]。而運(yùn)用高通量測序技術(shù)可對辣椒根際中的細(xì)菌群落進(jìn)行全面地鑒定分析,可更精準(zhǔn)地挖掘出影響辣椒疫病防控效果的關(guān)鍵土壤微生物群落。基于本課題組前期收集、篩選獲得對辣椒疫霉菌有較好抑制作用的枯草芽孢桿菌、哈茨木霉菌等6 種微生物菌劑,為了探究其對辣椒疫病的防控效果及其對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化,本研究擬通過盆栽試驗開展6 種微生物菌劑對辣椒疫病的防控效果研究,通過高通量測序技術(shù)分析辣椒根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化,以期明確不同微生物菌劑的防治效果及其對辣椒根際土壤微生物種群的影響,為應(yīng)用微生物菌劑綠色防治辣椒疫病提供理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 材料
供試微生物菌劑和化學(xué)藥劑共7 種(表1)。供試菌株辣椒疫霉菌分離保存于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所冬季瓜菜研究中心。供試?yán)苯菲贩N為海椒309,購于海南瓊研瓜菜良種開發(fā)有限公司。
1.2 方法
1.2.1 試驗設(shè)計試驗于 2021 年11—12 月在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所五隊科研基地大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗設(shè)9 個處理(表1),設(shè)3 次重復(fù),每次重復(fù)4 株。將苗齡一致,4~5葉期健壯的辣椒幼苗移栽至裝有土的栽培盆(14.8 cm×13.5 cm)中,移栽當(dāng)天進(jìn)行藥劑灌根,A1~A6處理的藥劑均稀釋300 倍液,A7處理的藥劑稀釋500 倍液,進(jìn)行均勻灌根,每次每株灌根300 mL 藥水,A8、CK 處理等量清水,每隔5 d灌根1 次,連續(xù)2 次。待第2 次灌根后3 d 采用傷根法接種辣椒疫霉菌,A1~A8處理接種辣椒疫霉菌游動孢子懸浮液10 mL/株(濃度106個/mL),等量清水不接菌為對照(CK)。
1.2.2 病情調(diào)查與樣品采集接種后 15 d 進(jìn)行病情指數(shù)調(diào)查,辣椒疫病調(diào)查分級[19]。0 級:無??;1 級:幼苗根莖部輕微水漬狀變褐,葉片不萎蔫或可恢復(fù)性萎蔫;2 級:幼苗根莖部變水漬狀褐色,發(fā)病部位長度1~2 cm,葉片不可恢復(fù)性萎蔫,下部葉片偶有脫落;3 級:幼苗根莖部變水漬狀褐色,發(fā)病部位長度超過2 cm,葉片明顯萎蔫或落葉明顯;4 級:幼苗根莖部變水漬狀褐色,并且莖稈有縊縮現(xiàn)象,除生長點外全部落葉或植株萎蔫;5 級:植株枯死。
辣椒幼苗移栽30 d 后采集土樣。采集9 個處理辣椒根際土壤,每個重復(fù)取3 株混合土樣為1個樣本,每個處理取3 個樣本,共27 個樣本,分別用無菌袋封裝,做好標(biāo)記帶回實驗室,置于–40 ℃保存?zhèn)溆?。將采集?7 個土樣送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司,并采用高通量測序技術(shù)完成細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)分析。
1.3 數(shù)據(jù)處理
1.3.1 計算發(fā)病率及病情指數(shù)
采用 Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理,計算發(fā)病率和病情指數(shù)。
1.3.2 土壤細(xì)菌群落數(shù)據(jù)分析 采用DPS軟件進(jìn)行方差分析。利用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司提供的云數(shù)據(jù)分析平臺I-sanger 進(jìn)行辣椒根際土壤細(xì)菌多樣性分析,構(gòu)建物種組成群落圖。細(xì)菌多樣性指數(shù)選用Ace 指數(shù)、Chao 1 指數(shù)、Shannon 指數(shù)及Simpson 指數(shù)。Ace 指數(shù)和Chao 1指數(shù)是衡量物種豐富度的指數(shù),數(shù)值的大小表示物種豐富度的高低,指數(shù)越大,說明物種的豐富度越高;Shannon 指數(shù)用于衡量物種多樣性,而Simpson 指數(shù)表示在群落中隨機(jī)抽樣的個體屬于同一物種的概率, 也用來衡量物種多樣性,Shannon 指數(shù)越大,Simpson 指數(shù)越小,說明樣品的物種多樣性越高[20-23]。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同微生物菌劑對辣椒疫病的防控效果
在接種后第15 天進(jìn)行發(fā)病情況調(diào)查(表2),A1 處理的辣椒植株病情指數(shù)為13.33,防治效果為85.58%;A2 處理的病情指數(shù)為16.67,防治效果為81.97%;A3 處理的病情指數(shù)為48.33,防治效果為47.17%;A4 處理病情指數(shù)46.67,防治效果為49.12%;A5 處理病情指數(shù)為63.33,防治效果為30.60%;A6 處理病情指數(shù)為55.00,防治效果為39.86%;A7 處理的病情指數(shù)為68.33,防治效果為25.83%。結(jié)果表明,A1 和A2 處理具有較好的防治效果,防效均達(dá)80%以上。
2.2 不同微生物菌劑對根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響
2.2.1 根際土壤細(xì)菌多樣性 A1~A6 處理的辣椒根際土壤的細(xì)菌Ace 指數(shù)、Chao 1 指數(shù)和Shannon指數(shù)顯著高于A7 處理(多菌靈),而Simpson 指數(shù)顯著低于A7 處理,并且其他微生物菌劑處理之間無顯著差異(表3)。本次測序各樣本文庫的覆蓋率(coverage)均大于97%,因此,研究結(jié)果可以代表樣本中微生物的真實情況,表明利用微生物菌劑對辣椒疫病進(jìn)行防控不僅有助于顯著提高辣椒根際土壤細(xì)菌的多樣性,而且也有利于顯著提高土壤細(xì)菌的豐富度。
2.2.2 基于門分類水平的優(yōu)勢菌群分析 基于門分類水平分析發(fā)現(xiàn),A1~A6(微生物菌劑)、A7(多菌靈)、A8(辣椒疫霉菌)、CK 處理的辣椒根際土壤中共有的優(yōu)勢細(xì)菌門有12 個(圖1)。其中,變形菌門(Proteobacteria)細(xì)菌占比最高,幅度在31.72%~37.73%之間;其他優(yōu)勢細(xì)菌中放線細(xì)菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、藍(lán)藻菌門(Cyanobacteria)在各處理間的占比差異不大。但不同微生物菌劑處理均提高了變形菌門、擬桿菌門(Bacteroidota)的占比,尤其是A1 和A2處理顯著提高了變形菌門、擬桿菌門的豐富度;同時A7處理改變了髕骨細(xì)菌門(Patescibacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、粘細(xì)菌門(Myxococcota)的占比,其中髕骨細(xì)菌門的豐度顯著升高,而綠彎菌門(Chloreflexi)、厚壁菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門、粘細(xì)菌門的豐度明顯降低。
2.2.3 基于科分類水平的優(yōu)勢菌群分析 基于科分類水平分析發(fā)現(xiàn)(圖2),A1~A6(微生物菌劑)、A7(多菌靈)、A8(辣椒疫霉菌)、CK 處理的辣椒根際土壤中組成占比大于1%的優(yōu)勢細(xì)菌科有16 個,還有占比小于1%的未知菌科(以others表示)。其中黃色桿菌科(Xan thobacteraceae)占比最高,幅度在5.36%~7.80%之間。而且黃色桿菌科、高溫單孢菌科(Thermo monosporaceae)、微單孢菌科( Micromonosporace ae ) 、Rhizobiales_Incertae_Sedis 、芽單胞菌科( Gemmatimonadaceae)、Devosiaceae、熱微菌科(Thermomicrobiaceae)、羅丹諾桿菌科(Rhodanobacteraceae)、生絲微菌科(Hyphomicrobiaceae)、鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)、類諾卡氏菌科(Nocardioidaceae)在A1~A6、A8、CK 處理之間的占比差異不大。
A1~A6與A7、A8、CK 處理相比,在噬幾丁質(zhì)菌科(Chitinophagaceae)、類固醇桿菌科(Steroidobacteraceae)和微球菌科(Micrococcaceae)的豐富度均有提高,尤其是A1和A2處理,顯著提高微球菌科、噬幾丁質(zhì)菌科和類固醇桿菌科的豐富度;A1~A6與A8、CK 處理相比,降低了諾卡氏菌科(Nocardiaceae)和類諾卡氏菌科的豐富度。A7處理改變了類諾卡氏菌科的占比,與其他處理相比,提高了類諾卡氏菌科的豐富度,而黃色桿菌科、諾卡氏菌科、高溫單孢菌科、噬幾丁質(zhì)菌科、微單孢菌科、Rhizobiales_Incertae_Sedis、芽單胞菌科、熱微菌科、羅丹諾桿菌科、生絲微菌科、鞘脂單胞菌科、類固醇桿菌科的豐度均明顯降低。
2.2.4 基于OTU 水平的Venn 圖分析 Venn 圖主要用于統(tǒng)計多個樣本中所共有和獨(dú)有的可操作性分類單元(operational taxonanic units, OTU)數(shù)量。由圖3 可知,A1(枯草芽孢桿菌)、A2(哈茨木霉菌)、A7(多菌靈)、A8(辣椒疫霉菌)和CK 處理的辣椒根際土壤中細(xì)菌總OTU 數(shù)量分別為3366、3379、2994、3406 和3365 個。其中,共有的OTU 有2032 個,A1、A2、A7、A8 和CK處理的辣椒根際土壤中特有的細(xì)菌OTU 數(shù)分別為112、128、70、118 和100 個。由此結(jié)果表明,經(jīng)過A1、A2處理增加了辣椒根際土壤中特有的優(yōu)勢細(xì)菌數(shù)量,特有優(yōu)勢細(xì)菌豐富度和多樣性的提高可能是辣椒抗性提高的主要機(jī)制。A7處理降低了土壤細(xì)菌豐富度和多樣性,長期使用可能會造成土壤細(xì)菌的豐富度和多樣性持續(xù)降低,土壤微生態(tài)失衡,進(jìn)而可能引起土壤向易感病土壤發(fā)展的趨勢。A8處理也增加了特有的細(xì)菌數(shù)量,這些增加的菌群可能是引起細(xì)菌菌群穩(wěn)態(tài)失調(diào),與辣椒疫霉菌協(xié)同引起辣椒疫病持續(xù)發(fā)病的原因。
3 討論
微生物菌劑藥效的穩(wěn)定性一直是研發(fā)者和使用者重點關(guān)注的問題,生防菌的活菌數(shù)、制劑加工、使用方法以及田間環(huán)境因素等都可能影響農(nóng)用微生物菌劑的作用效果[24-27]。肖小露[28]利用枯草芽孢桿菌BS193 防治辣椒疫病,BS193 發(fā)酵液灌根后間隔0、24、48、72 h 后接種病原菌,9 d后各處理的防治效果分別為23.43%、41.25%、49.41%、51.44%,間隔48、72 h 后接種的防病效果均顯著高于灌根后立即接種病原菌的處理。結(jié)果表明微生物菌劑需要一定時間進(jìn)行定殖、繁殖或誘導(dǎo)作物產(chǎn)生抗性,才能更高效地防治靶標(biāo)病菌。本研究采用灌根2 次后間隔72 h 接種病原菌,使供試的6 種微生物菌劑有充分的時間進(jìn)行定殖和繁殖。但是,供試的6 種微生物菌劑對辣椒疫病的防治效果仍有較大差異,A1(1×108CFU/g枯草芽孢桿菌微囊粒劑)和A2(1×108CFU/g 哈茨木霉菌水分散粒劑)處理的防效較好,防治效果分別為85.58%和81.97%;A3(5×108CFU/g 熒光假單胞桿菌顆粒劑)、A4(淡紫褐鏈霉菌NBF715粉劑)、A5(1×1010CFU/g 枯草芽孢桿菌可濕性粉劑)、A6(3×108CFU/g 哈茨木霉菌可濕性粉劑)的防治效果分別為47.17%、49.12%、30.60%、39.86%。這些微生物菌劑對辣椒疫病防效的差異性可能與其生防遺傳特性和藥劑劑型有關(guān)。席亞東等[17]收集了30 株木霉菌并對辣椒疫霉菌進(jìn)行防控研究,其中17 株菌為同一菌種(鉤狀木霉菌),平板對峙3 d 后抑菌率為0.09%~68.99%,施用木霉菌后30 d 盆栽防控效果為17.90%~71.70%,該研究結(jié)果表明,相同菌種不同菌株的生防效果存在差異,這可能與其生防遺傳特性等有關(guān)。并且劑型對于生防菌的活性至關(guān)重要,起著保護(hù)、稀釋或緩釋有效成分,優(yōu)化使用效果以及擴(kuò)大使用范圍等作用,雖然生防菌具有生防效果,但其不溶于水將會使其喪失生防效力,因此,生防菌需輔以助劑以保持其在分散或儲藏過程中的活性狀態(tài)[29]。相關(guān)研究表明,枯草芽孢桿菌在水劑和可濕性粉劑中,芽孢會隨著儲存期的延長,其存活率也逐漸降低,導(dǎo)致田間防效不穩(wěn)定[30]。MA 等[31]研究表明,微膠囊劑型的枯草芽孢桿菌在室溫條件下貯藏540 d 后,其存活率為87.53%,顯著高于其可濕性粉劑的存活率(47.06%)。微膠囊劑是當(dāng)前農(nóng)藥新劑型中技術(shù)含量最高的一種,具有抑制因多種環(huán)境因素(如光、熱、空氣、雨水、土壤)和其他化學(xué)物質(zhì)等造成的分解和流失,提高藥劑的穩(wěn)定性和控制藥效釋放等功能,從而提高藥劑的利用率,延長其持效期[32-33]。裴文亮等[34]開展了木霉菌水分散粒劑熱儲穩(wěn)定試驗,以可濕性粉劑木霉菌作為對照,經(jīng)過熱貯處理后(54 ℃、14 d),木霉菌可濕性粉劑的存活率僅為50%,而木霉菌水分散粒劑的存活率高達(dá)90%,由此可見,水分散粒劑對木霉菌孢子有很好的保護(hù)作用,增加了藥效的穩(wěn)定性。水分散粒劑是一種可在水中迅速分散的劑型,工藝技術(shù)含量也比可濕性粉劑高,其藥劑粒徑更小,在施用到作物或者是防治靶標(biāo)上時,水分散粒劑更容易進(jìn)入作物體內(nèi)或抑制防治靶標(biāo)[29]。筆者就我國已登記的枯草芽孢桿菌和木霉菌的劑型種類(截至2022 年9 月有效的單劑)[35]進(jìn)行統(tǒng)計分析,可濕性粉劑占比為79.8%,水分散粒劑占7.1%,懸浮劑占6.1%,顆粒劑占2.0%,其他占5.0%(微囊粒劑、水劑、水乳劑等),與有益微生物的其他研究領(lǐng)域(如生防機(jī)理、生防菌篩選、生防菌培養(yǎng)等)相比,國內(nèi)有關(guān)劑型的研究相對較薄弱,微生物菌劑殺菌劑劑型比較單一,主要為可濕性粉劑。因此,建議加強(qiáng)農(nóng)用微生物殺菌劑劑型的相關(guān)基礎(chǔ)研究,并通過新劑型的研發(fā)和原有劑型技術(shù)的優(yōu)化,提高微生物殺菌劑的防治效果,降低其生產(chǎn)成本。本研究中,A1(1×108CFU/g 枯草芽孢桿菌微囊粒劑)和A2(1×108CFU/g 哈茨木霉菌水分散粒劑)處理相對于其他4 種微生物菌劑處理的藥效穩(wěn)定性更好,這跟生防菌較好的生防特性和藥劑劑型有一定的相關(guān)性。A1和A2處理具有較好的防治效果,防效均達(dá)80%以上,A1處理與黃大野等[36]利用1×1012CFU/g 枯草芽孢桿菌水分散粒劑通過盆栽試驗對辣椒疫病進(jìn)行防治,防效為86.67%的結(jié)果相當(dāng)。A2 處理的防效與張量[37]利用5.43×1010CFU/g 木霉菌可濕性粉劑對辣椒疫病的防治效果為83.89%的結(jié)果相當(dāng)。
優(yōu)良的微生物菌劑不僅具有良好的藥效穩(wěn)定性,應(yīng)還具有影響土壤微生物多樣性的能力,其作為外源功能微生物可以通過改變土壤原有微生物群落的組成和優(yōu)勢種群的數(shù)量繼而達(dá)到防控病害的效果[38-39]。葉旻碩等[18]、涂璇等[40]在盆栽條件下,發(fā)現(xiàn)施用微生物菌劑和拮抗放線菌能影響辣椒根系微生物數(shù)量并控制辣椒疫霉菌的生長繁殖,從而降低辣椒疫霉菌對根系的侵染。這些研究均與本研究結(jié)果一致,經(jīng)微生物菌劑處理的發(fā)病率均低于接種處理,同時本研究分析了A1(枯草芽孢桿菌)、A2(哈茨木霉菌)、A7(多菌靈)和CK 處理的辣椒根際土壤中細(xì)菌門、科水平的豐富度,土壤細(xì)菌總OTU 和特有的細(xì)菌OTU,發(fā)現(xiàn)經(jīng)A1 和A2處理后,在門水平明顯提高了變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidota)的豐富度,ZHANG 等[41]發(fā)現(xiàn)植物根系吸收了較高比例的變形菌( Proteobacteria ) 和擬桿菌(Bacteroidota),它們在抑制病原菌和對環(huán)境脅迫的耐受性中發(fā)揮關(guān)鍵作用;在科水平顯著提高微球菌科(Micrococcaceae)、噬幾丁質(zhì)菌科(Chitinophagaceae) 和類固醇桿菌科( Steroidobacteraceae)的豐富度;與CK 處理相比,降低諾卡氏菌科(Nocardiaceae)和類諾卡氏菌科(Nocardioidaceae)的豐富度;土壤細(xì)菌總OTU 數(shù)量和特有的OTU 數(shù)量均高于A7、CK 處理,結(jié)合這2 個處理的防治效果,細(xì)菌總OTU 和特有的OTU 豐富度和多樣性的提高,增強(qiáng)了辣椒抵抗辣椒疫霉菌侵染的能力。此外,A7處理,明顯降低了土壤細(xì)菌總OTU 和特有的OTU 豐富度和多樣性,這與ANDREOTE 等[42]的研究結(jié)果相似,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中,化學(xué)農(nóng)藥的使用使農(nóng)田中土壤微生物的生物多樣性降低,對植物產(chǎn)生不利影響,微生物多樣性降低后,病原菌能夠更加快速地入侵植物根系。
4 結(jié)論
1 × 108CFU/g 枯草芽孢桿菌微囊粒劑和1×108CFU/g 哈茨木霉菌水分散粒劑對辣椒疫病有較好的防治效果,防治效果分別為85.58%和81.97%,使用后增加了辣椒根際土壤中特有的優(yōu)勢細(xì)菌數(shù)量,特有優(yōu)勢細(xì)菌豐富度和多樣性的提高可能是辣椒抗性提高的主要機(jī)制。使用化學(xué)藥劑多菌靈后降低了土壤細(xì)菌的豐富度和多樣性,長期使用可能會造成土壤細(xì)菌豐富度和多樣性持續(xù)降低,土壤微生態(tài)失衡,進(jìn)而可能引起土壤向易感病土壤發(fā)展的趨勢。本研究僅在盆栽條件下開展,今后將開展枯草芽孢桿菌和哈茨木霉菌微生物菌劑在田間復(fù)雜土壤生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用研究,以進(jìn)一步提升病害防控效果和明確相關(guān)防控機(jī)理。