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西瓜连作土传枯萎病微生物生态学机理及其生物防治

【摘要】: 西瓜(Citrullus lanatus(Thunb)Matsum Nakai)原产非洲赤道附近和地中海地区,是世界上的重要的园艺作物,是世界十大水果之一,尤其在夏季水果中占有十分突出的地位,其栽培面积与总产量均在世界水果前列。公元4-5世纪时,由西域传至我国,我国是世界上最大的西瓜产地,占世界西生产总面积和总产量的45%以上,2006年我国西瓜种植面积178.5万公顷、总产量6261.3万吨。 但是由于长期连作,西瓜产生严重的连作障碍问题。种子发芽率降低、发芽缓慢、胚根不长或难以长大、很难出土,或出土后呈现失水状,生长缓慢,苗期容易死苗、倒伏,瓜蔓生长衰弱、矮化,叶片发黄,容易发病,特别是枯萎病,造成西瓜植株枯萎死亡,产量和品质下降。通常情况下由于枯萎病造成西瓜产量损失15-30%,严重田块达50-85%,甚至绝收,连作障碍中的枯萎病问题已经成为西瓜生产的主要限制因子。 本研究从寄主-病原-环境三者生态互作角度出发,分别研究了西瓜连作障碍土中可培养微生物的区系变化、微生物多样性变化、西瓜枯萎病病原菌尖孢镰刀菌西瓜专化型(Fusarium oxysporum f.sp.niveum)与其它可培养微生物的相互作用、西瓜尖孢镰刀菌毒素镰刀菌酸对西瓜幼苗氮素代谢、细胞跨膜电位、抗氧化酶和病程相关蛋白及光合作用的影响、西瓜根系分泌物和腐解物对尖孢镰刀菌生长和毒力的影响、西瓜根系分泌物中主要化感物质酚酸对西瓜尖孢镰刀菌的生长和毒力因子的影响、土壤生态环境条件对西瓜尖孢镰刀菌生长的影响、休闲条件下西瓜连作障碍土的微生物多样性和优势种群的变化、生物有机肥对西瓜枯萎病的防治效果等,取得了下列结果或结论。 从上海松江塑料大棚连续种植5年西瓜的土壤和没有种植西瓜的非连作土中共获得微生物分离物243株,经平板培养特征镜检及生理生化特征鉴定,最终确认52种。其中细菌12种,放线菌14种,真菌20种,镰刀菌6种。非连作土中细菌12种,连作土细菌11种,比对照(非连作土)少1种。非连作土和连作土中放线菌都是12种。非连作土中真菌18种,连作土中真菌20种,比对照多2种。非连作土中镰刀菌5种,连作土中镰刀菌6种,比对照多1种。连作西瓜后土壤中微生物丰度发生显著变化,而多度基本不变。西瓜尖孢镰刀菌在室内抑制土壤中83.3%的细菌、85.7%的放线菌、31.6%的真菌和20.0%的镰刀菌。与此同时西瓜尖孢镰刀菌也受到土壤中土著拮抗细菌Bacillus subtilis,Psedomonas putida,拮抗放线菌Spirillospora Couch(1963)和Streptomyces longispororuber Krass(1941),拮抗真菌PenicillumSimplicissimum(Oud.)Thom,Penicillium nigricans Bainier,Rhizoctonia DC.EX Fr.,Stysanus stemonite s(Pers.)Corda,Cephalosporium Corda,Westerdykella Stolk,Aspergillus effusus Tiraboschi等的竞争抑制和拮抗作用,但是拮抗细菌的拮抗作用远小于拮抗放线菌和拮抗真菌,因而导致总体上西瓜连作土中细菌群落数量大幅下降,放线菌和真菌群落数量大幅上升。西瓜尖孢镰刀菌对土壤中的细菌和放线菌的影响主要是营养竞争作用,对真菌和镰刀菌的作用是营养竞争和分泌次生代谢产物拮抗。 采用人工培养收集西瓜根系分泌物添加到相关培养基中培养西瓜尖孢镰刀菌,考察不同生态型西瓜根系分泌物对病原菌尖孢镰刀菌的影响。感病品种(早佳84-24)和抗病品种(京欣1号和豫星3号)根系分泌物在低浓度(<50 mg.L~(-1))时都能促进尖孢镰刀菌生长,但抗病品种在较高浓度时抑制尖孢镰刀菌生长。感病品种大大促进尖孢镰刀菌产毒,同时开花后根系分泌物促进尖孢镰刀菌的产毒量大于开花前。感病品种还大大促进尖孢镰刀菌毒力因子活性提高(蛋白酶、果胶酶、纤维素酶和淀粉酶)。液相色谱分析结果显示,抗病品种西瓜根系分泌物含有比感病品种高得多的抑制真菌酚酸(对-羟基苯甲酸、邻苯二甲酸,五倍子酸、香豆酸、肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸、芥子酸和水扬酸)/促进真菌酚酸(香草酸和丁香酸)比值,开花后比开花前高,从而引起西瓜对病原菌不同的反应。 采用不同基因型西瓜植株腐解物提取物加入到培养基中,研究西瓜腐解物对枯萎病病原菌尖孢镰刀菌的化感效应。用液相色谱仪分析了西瓜(早佳84-24、京欣1号)腐解物中的12种酚酸物质。结果显示,感病西瓜品种(早佳84-24)腐解物中所检测到的化学成分种类和数量少于抗病品种(京欣1号)。抗病品种含有更多的抗真菌物质,其抑制真菌酚酸/促进真菌生长酚酸比为29.2∶1,而感病品种则含量较少,其抑制真菌酚酸/促进真菌生长酚酸比为8.4∶1。抗病西瓜腐解物抑制病菌生长和孢子形成,而感病品种则抑制生长和产孢。抗病西瓜腐解物对尖孢镰刀菌毒力因子的刺激作用远远小于感病西瓜。所以可以推断,西瓜抗病/感病与否和它们的植株残体在土壤中分解产生的抑制真菌酚酸/促进真菌生长酚酸比密切相关。 在实验室条件下,采用在培养基内人工添加不同酚酸(苯甲酸、对-羟基苯甲酸、香豆酸、肉桂酸、阿魏酸、五倍子酸、咖啡酸、芥子酸、水扬酸、丁香酸、香草酸、鞣酸)培养西瓜尖孢镰刀菌,考察这些植物体内产生和分泌的化感物质对西瓜枯萎病病原菌的影响。结果表明大多数酚酸都能抑制尖孢镰刀菌的生长和孢子萌发(苯甲酸、对-羟基苯甲酸、香豆酸、肉桂酸、阿魏酸、五倍子酸、咖啡酸、芥子酸和水扬酸),少部分促进菌丝生长和孢子萌发(香草酸、丁香酸和鞣酸)。抑制尖孢镰刀菌菌丝生长的酚酸不一定抑制尖孢镰刀菌的毒性因子(产毒能力和致病酶),促进尖孢镰刀菌菌丝生长的不一定促进毒性因子,可能是因为菌丝生长和毒性因子的形成是两个不同的机理和过程,酚酸对它们的作用位点和方式不同。 采用大田西瓜连作障碍土,放置水泥池中,做成土模,保持露天状态,连续3年休闲(2005-2007),研究西瓜连作障碍土微生物区系变化、多样性变化、优势种群变化、西瓜连作障碍的主要因子尖孢镰刀菌西瓜专化型的变化等,了解连作障碍土休闲条件下自然修复过程。结果表明,西瓜连作障碍土中微生物多样性发生显著改变,微生物生态平衡破坏。经过连续3年休闲自然修复后,微生物多样性得到恢复,土壤中优势细菌种群数量(丰度)增加118-177%;放线菌、真菌和病原菌种群数量减少,分别只有第1年的68-77%、63-67%和60-85%;病原菌西瓜尖孢镰刀菌只有第1年的50%左右;土壤中细菌∶放线菌∶真菌∶镰刀菌比由休闲前的24000∶100∶4∶1变化到休闲3年后的57000∶100∶3.5∶1,但与非连作土的560000∶400∶8∶1还相差很远,土壤逐渐由“真菌型”向“细菌型”过渡,说明连作障碍土的微生物平衡逐渐恢复,土壤生态和生产功能也将逐渐恢复。 长期大量施用化学农药防治西瓜枯萎病已造成病菌的抗药性上升,药效下降,同时大量残留在土壤和水果中的农药还污染环境危害人体健康,因此为了农业可持续发展和生态平衡,有必要开发新型高效、低度、无污染的防治措施,生物防治是其中的一种。本研究中筛选几种实验室有一定拮抗作用的拮抗菌,经温室灭菌土壤接种西瓜尖孢镰刀菌后,从中选择2株有较好效果的拮抗菌(Panebacillus polymixa,Trichoderma harzianum)和有机肥(菜子饼发酵产物)混合处理,进行温室条件下的防治西瓜枯萎病试验。结果表明,在实验室平板有拮抗效果的12株菌,在灭菌土壤接种西瓜尖孢镰刀菌后30D后,只有6株表现较好的抑制效果,选择其中2株与有机肥复配后,在温室条件下施用到西瓜连作发病土中,栽培西瓜63D后,有机肥和生物有机肥都表现了一定的防治效果。其中0.5%有机肥和0.5%生物有机肥防治效果最好,分别达35.7%和64.5%。通过西瓜植株根茎叶等的MDA含量和抗氧化酶活性及病程相关蛋白含量的变化,推测生物有机肥防病的机理是提高西瓜体内抗性酶活性,诱导植株系统获得抗性,从而达到抑制尖孢镰刀菌的作用,具体机理有待进一步研究。

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