Isolation and identification of the pathogens causing peanut pod rot in Henan Province

Wan-wan FAN, Shao-jian LI, Su-ling SANG, Hai-yan ZHANG, Meng GAO, Zhen-yu WANG

CHINESE JOURNAL OF OIL CROP SCIENCES ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (2) : 377-384.

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CHINESE JOURNAL OF OIL CROP SCIENCES ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (2) : 377-384. DOI: 10.19802/j.issn.1007-9084.2022289

Isolation and identification of the pathogens causing peanut pod rot in Henan Province

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Abstract

To identify the pathogens responsible for peanut pod rot in Henan Province, 92 samples of peanut pod rot were collected from various geographic regions and subjected to tissue isolation techniques. Pathogens were identified based on their morphological and molecular biological, and verified using Koch's rules. The results revealed that Fusarium, Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Lasiodiplodia theobromae, Sclerotium rolfsii and Neocosmospora vasinfecta were the pathogenic fungi causing peanut pod rot in Henan Province, with Fusarium as the dominant genus. The main Fusarium species identified in this study were F. oxysporum, F. solani, F. proliferatum and F. chlamydosporum, with F. oxysporum and F. solani being the predominant species. This study further confirms that peanut pod rot is caused by multiple pathogens, providing a foundation for controlling this disease in Henan Province.

Key words

peanut pod rot / pathogens / Fusarium / Aspergillus / multiple infection

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Wan-wan FAN , Shao-jian LI , Su-ling SANG , Hai-yan ZHANG , Meng GAO , Zhen-yu WANG. Isolation and identification of the pathogens causing peanut pod rot in Henan Province[J]. CHINESE JOURNAL OF OIL CROP SCIENCES, 2024, 46(2): 377-384 https://doi.org/10.19802/j.issn.1007-9084.2022289
花生(Arachis hypogaea L.)为一年生豆科植物,是我国除油菜外的第二大油料作物,在全国范围内广泛种植[1]。河南省是我国花生主产区之一,2020年全省花生种植面积逾120万公顷,种植面积连续多年居全国首位[2]。随着省内花生种植面积的不断增加,连作重茬现象日益普遍,加之缺乏抗病品种以及气候条件适合发病等原因,造成花生多种土传病害频发[3],花生果腐病即为其中重要的一种。该病害主要危害花生荚果,受害花生荚果轻症表现为果斑、变色,重症荚果及果仁腐烂,严重影响花生的产量和品质[4]。国内外多项研究结果表明,花生果腐病是由多种病原菌复合侵染引起[5, 6]:Csinos等从美国乔治亚州的花生果腐病烂果中分离到群结腐霉菌(Pythium myriotylum)、齐整小核菌(Sclerotium rolfsii)、镰刀菌(Fusarium sp.)、小核盘菌(Sclerotinia minor)4类真菌[7];Wheeler等将美国西德克萨斯州的花生果腐病病原鉴定为立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)和腐霉菌(Pythium sp.)[8];李术臣等鉴定了河北省花生果腐病的病原菌,引起河北省花生果腐病的病原菌为腐皮镰刀菌(F. solani)和群结腐霉菌(P. myriotylum[9];邢珏珺等从广东韶关的花生果腐病样中获得的病原菌为尖孢镰刀菌(F. oxysporum)和茄病镰刀菌(F. solani)两种[10];Yu等采集了我国五个省份的十个花生主产区的果腐病样,分离、回接后确定病原为群结腐霉菌(P. myriotylum[11]。上述研究结果还表明,在不同的地理区域中花生果腐病病原菌的种类不尽相同,各地区的病原群体组成存在较大差异[4~11]。目前,国内关于花生果腐病病原菌的研究相对较少,河南省尚无相关报道。本研究于2019、2020年在河南省各花生种植区采集花生果腐病果,采用组织分离法对病样进行分离,并根据柯赫氏法则对分离物的致病性进行测定,结合形态学特征和分子生物学鉴定结果确定病原菌的种类组成,明确了河南省花生果腐病的病原菌群体组成及优势致病菌,以期为该病害的防治提供理论指导和依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试样品:2019、2020年于河南省周口、驻马店、新乡等16地市26县区的花生田块中采集的花生果腐病病果。
接种所用健康花生荚果来源于花生品种豫花22号。

1.2 方法

1.2.1 样品的分离纯化

采用组织分离法[12]进行病样的菌株分离。病果样品自来水冲洗晾干后,每个病果分为果柄、果壳、果仁三部分,依次浸入75%酒精30 s、3%次氯酸钠溶液消毒2 min、无菌水漂洗3次、灭菌滤纸吸干水分,分别在病健交界处剪取0.3 cm × 0.5 cm的组织块,移入PDA培养基(马铃薯葡萄糖琼脂培养基)平板上,置于28℃恒温培养箱培养3-4 d,将病组织块上长出的菌落转板纯化,获得纯培养后保存。

1.2.2 分离菌株的致病性测定

收集各接种菌株的分生孢子,加无菌水分别调整浓度至105个/mL的孢子悬浮液,不产生孢子的菌株以0.1 g /100 mL菌丝破碎匀浆液代替。将无病斑无虫伤的花生荚果用75%酒精表面消毒后晾干,分别浸入到摇匀的孢子(菌丝)悬浮液中,浸蘸菌液后放入灭菌塑料盒(16 cm × 9 cm × 3 cm)中盖盖密封,塑料盒底部提前铺3层灭菌滤纸并加少量无菌水润湿。每菌株接种10个荚果,重复3次,以不浸蘸菌液的处理为空白对照。接种操作均在超净台中进行,处理完成后将各塑料盒放入培养箱中25℃恒温培养,30天后调查发病情况,若果壳长菌霉变且可再分离到与接种相同的菌株,接种菌株则确定为致病菌。

1.2.3 病原菌的形态学鉴定

观察、记录各致病菌株的菌落形态特征,在光学显微镜下观察菌丝及孢子形态、大小等特征,对致病菌株进行形态学鉴定[13,14]

1.2.4 病原菌的分子鉴定

收集纯化培养的各代表菌株的菌丝体,采用真菌基因组提取试剂盒(莱枫生物科技公司)提取各菌株基因组DNA。利用核糖体DNA内转录间隔区(ribosomal DNA-internal transcribed spacer, rDNA-ITS)引物ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3')、ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')和翻译延伸因子(Translation elongation factor 1αTEF-1α)引物EF1(5'-ATGGGTAAGGA(A/G)GACAAGAC-3')、EF2(5'-GGA(G/A)GTACCAGT(G/C)ATCATGTT-3')对各菌株基因组DNA进行PCR扩增。PCR反应体系为25 μL,反应程序分别参考White[15]和Rahjoo[16]的方法进行。PCR产物经1.0%琼脂糖凝胶电泳检测后送尚亚生物技术有限公司测序,测序所得序列于GenBank中进行BLAST同源性比对,并用MEGA 7软件以邻接法构建系统发育树,bootstrap检验次数设为1000次。

2 结果与分析

2.1 分离菌株的获得及分离频率

对2019、2020年河南省花生主产区14地市26个县区的92份花生果腐病样品进行分离、纯化,共获得710株真菌菌株,各菌株之间在菌落、菌丝及孢子形态上差异较大。根据形态学特征初步鉴定,将所得710株真菌归为13属,各类别及分离株数见表1
Table1 Isolation of fungi from peanut pod rot samples

表1 花生果腐病病样中各类真菌的分离情况

序号

No.

Genus

分离菌株数

No. of isolates

分离频率

Isolation frequency /%

1 镰刀菌属Fusarium 454 63.94
2 曲霉属Aspergillus 112 14.36
3 小核菌属Sclerotium 39 5.49
4 色二孢属Lasiodiplodia 32 4.51
5 新赤壳属Neocosmospora 6 0.85
6 炭疽菌属Colletotrichum 39 5.49
7 木霉属Trichoderma 11 1.55
8 毛壳菌属Chaetomium 9 1.27
9 青霉菌属Penicillium 4 0.56
10 链格孢属Alternaria 7 0.99
11 壳囊孢属Cytospora 4 0.56
12 匍枝霉属Cladobofryum 2 0.28
13 枝孢属Cladosporium 1 0.14

2.2 致病性检测

将分离到的13属所有真菌菌株单孢纯化后,根据菌落形态特征选取代表菌株进行致病性测定。30天后调查接种花生荚果并进行菌株再分离,其中镰刀菌属(Fusarium)(菌株HSGF01、HSGF09、HSGF15、HSGF18)曲霉属(Aspergillus)(菌株HSGF19、HSGF22)小核菌属(Sclerotium)(菌株HSGF20)色二孢属(Lasiodiplodia)(菌株HSGF21)新赤壳属(Neocosmospora)(菌株HSGF23)5属真菌菌株接种后的花生荚果果壳霉变,表面生长菌落,内部果仁也变色腐烂,且可再分离到与原接种菌株一致的菌株,表明此5属接种菌株为河南省花生果腐病的致病真菌。致病的5属真菌致病力较为统一,除新赤壳属(Neocosmospora )的代表菌株HSGF23致病力相对较弱,接种后荚果发病率为56.67%,另外4属致病菌的代表菌株接种后荚果的发病率均为100%。其余8属真菌菌株接种后花生荚果与空白对照处理均表现为无症状或细菌性湿腐,再分离时未得到与原始接种菌株相同的菌株,因此鉴定为非致病菌。致病性测定结果及发病症状见图1图2-D。
Fig. 1 The result of pathogenicity identification
Note: Strain HSGF01, 09, 15 and 18 are representative strains of Fusarium; Strain HSGF19 and 22 are representative strains of Aspergillus; HSGF20 is representative strain of Sclerotium; HSGF21 is representative strain of Lasiodiplodia; HSGF23 is representative strain of Neocosmospora; HSGF24 is representative strain of Colletotrichum; HSGF25 is representative strain of Trichoderma; HSGF26 is representative strain of Chaetomium; HSGF27 is representative strain of Penicillium; HSGF28 is representative strain of Alternaria; HSGF29 is representative strain of Cytospora; HSGF30 is representative strain of Cladobofryum; HSGF31 is representative strain of Cladosporium

图1 致病性测定结果

注:菌株HSGF01、09、15、18为分离到的镰刀菌属代表菌株;菌株HSGF19、22为分离到的曲霉属代表菌株;HSGF20为小核菌属代表菌株;HSGF21为色二孢属代表菌株;HSGF23为新赤壳属代表菌株;HSGF24为炭疽菌属代表菌株;HSGF25为木霉属代表菌株;HSGF26为毛壳菌属代表菌株;HSGF27为青霉菌属代表菌株;HSGF28为链格孢属代表菌株;HSGF29为壳囊孢属代表菌株;HSGF30为匍枝霉属代表菌株;HSGF31为枝孢属代表菌株

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Fig. 2 Morphological characteristics of the representative isolates of the five types pathogenic fungus and symptoms of peanut pods 30d after inoculated
Note: a:Front view of colony on PDA; b:Reverse view of colony on PDA; c:Spore (mycelium) morphology,scal bar=200μm;d: Symptoms of peanut pods 30d after inoculated

图2 5类病原真菌代表菌株的形态特征及接种30天致病症状

注:a:菌落正面;b:菌落背面;c:孢子(菌丝)形态,标尺为200 μm;d:接种花生荚果30天症状

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2.3 致病菌的形态学特征

将上述鉴定为致病菌的5属所有单孢纯化菌株活化至PDA培养基,室内培养至满皿进行形态学观察,代表菌株菌落及孢子形态见图2

2.3.1 镰刀菌属

根据形态学特征鉴定,共计454个菌株可归为镰刀菌属,且可进一步分类为以下四种:
1)孢镰刀菌(HSGF01):菌落平坦,边缘整齐,菌丝白色或略带紫色,背面产生紫色色素。大型分生孢子3-5隔膜,纺锤形或锥形,两端尖;小型分生孢子椭圆形、卵形或肾形,直或弯曲,单孢或一隔(图2A);
2)腐皮镰刀菌(HSGF09):菌落平坦,圆形,菌丝白色,较稀疏,呈卷毛状,培养基背面产生浅红色或橘红色色素,大型分生孢子较宽,两端较钝,稍弯,3隔膜。小型分生孢子卵形或肾形,0-1隔膜(图2B);
3)层出镰刀菌(HSGF15):PDA培养基上菌丝生长较旺盛,白色、浅粉色至淡紫色,培养基背面的色素无色、黄色或紫色。大型分生孢子数量极少,小型分生孢子数量较多,卵形或棒槌形,一端平截,无隔膜(图2C);
4)厚垣镰刀菌(HSGF18):PDA培养基上菌丝质地厚密,初期为白色,后略带黄色,培养基背面色素淡黄色至黄棕色。大型分生孢子两端较尖,5分隔居多,小型分生孢子很少(图2D);

2.3.2 曲霉属

根据形态学特征鉴定,所鉴定到的曲霉属包括以下两类:
1)黑曲霉(HSGF19):菌落圆形,菌丛黑色,背面无色或中央略带黄褐色,菌丝白色,短绒状,顶部为球形顶囊,其上覆盖一层梗基和一层小梗,小梗上长有成串黑褐色的球状分生孢子(图2E);
2)黄曲霉(HSGF22):PDA培养基上菌落圆形,菌丛黄绿色,背面无色,菌丝有分隔,分生孢子梗顶端产生球形顶囊,表面着生许多小梗,上有成串的球形分生孢子(图2F)。

2.3.3 齐整小核菌(HSGF20)

PDA培养基上菌丝白色透明,呈放射状扩展,菌丝有隔膜,可产生菌核,菌核初期为白色,后为棕黄色或棕褐色(图2G);

2.3.4 可可毛色二孢(HSGF21)

PDA培养基上菌落近圆形,菌丝絮状,灰白色,生长旺盛,培养时间延长,菌落颜色变为黑灰色,培养基背面黑色。培养10 d左右有黑灰色菌丝团产生,20 d左右菌丝团顶端产生黑色子座,分生孢子椭圆形,早期无色单孢,成熟后变灰褐色且中央有横膈膜(图2H);

2.3.5 侵管新赤壳(HSGF23)

PDA培养基上菌落圆形,菌丝白色,短绒毛状,培养4-5 d菌落散生砖红色的子囊果,子囊孢子短椭圆形,无隔膜(图2I)。

2.4 致病菌代表菌株的rDNA-ITS序列分析

选取致病菌代表菌株,基于所有菌株的rDNA-ITS序列构建系统发育树,结果表明所有菌株可划分为9个类群,其中7个类群为单独的种,分别为厚垣镰刀菌(F. chlamydosporum)、侵管新赤壳(Neocosmospora vasinfecta)、腐皮镰刀菌(F. solani)、黄曲霉(Aspergillus flavus)、黑曲霉(Aspergillus niger)、可可毛色二孢(Lasiodiplodia theobromae)和齐整小核菌(Athlia rolfsii,齐整小核菌的有性态),分支支持率分别为 99%、90%、87%、100%、100%、100%和100%(图3)。另外2个类群里包含多个不同种的镰刀菌,如尖孢镰刀菌和F. nirenbergiae聚为一支,层出镰刀菌和藤仓镰刀菌聚为一支,说明这些镰刀菌种类的同源性较高,利用 ITS 序列不能准确区分。
Fig. 3 Phylogenetic tree of pathogens of peanut pod rot based on ITS sequence

图3 基于 ITS 序列采用邻接法构建的花生果腐病病原真菌系统发育树

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2.5 镰刀菌的TEF1-α基因序列分析

利用TEF-1α引物EF1/EF2对镰刀属菌株HSGF01、HSGF02、HSGF03、HSGF04、HSGF05、HSGF06、HSGF12、HSGF13、HSGF14、HSGF15的基因组DNA进行PCR扩增,分别获得了约700 bp大小的目的片段,通过构建的系统发育树发现,HSGF01、HSGF02、HSGF03、HSGF04、HSGF05、HSGF06与尖孢镰刀菌(F. oxysporum)聚在一起,HSGF12、HSGF13、HSGF14、HSGF15与层出镰刀菌(F. proliferatum)聚在一起,分支支持率分别为98%和99%,外群菌灰葡萄孢(Botritis cinerea)以较远的亲缘关系处在系统发育树的外围(图4)。
Fig. 4 Phylogenetic tree of Fusarium based on TEF-α sequence

图4 基于 TEF-α 序列采用邻接法构建的镰刀菌属真菌系统发育树

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结合形态学特征和分子生物学鉴定结果,最终将以HSGF01-06为代表的225 株第一类第一种病原真菌鉴定为尖孢镰刀菌(F. oxysporum),占所分离菌株总数的31.69%;以HSGF07-11为代表的168 株第一类第二种病原真菌鉴定为腐皮镰刀菌(F.solani),占比23.66%;以HSGF12-15为代表的37株第一类第三种病原真菌菌株鉴定为层出镰刀菌(F. proliferatum),占比5.21%;以HSGF16-18为代表的24株第一类第四种菌株鉴定为厚垣镰刀菌(F. chlamydosporum),占比3.38%;以菌株 HSGF19为代表的62株第二类第一种病原真菌菌株鉴定为黑曲霉(A. niger),占比 8.73%;以HSGF22为代表的40株第二类第二种病原真菌菌株鉴定为黄曲霉(A. flavus),占比5.63%;以HSGF20为代表的39株第三类病原真菌菌株鉴定为齐整小核菌(S. rolfsii),占比 5.49%;以HSGF21为代表的32株第四类病原真菌菌株鉴定为可可毛色二孢(L. theobromae),占比4.51%;以HSGF23为代表的6株第五类病原真菌菌株鉴定为侵管新赤壳菌(N. vasinfecta),占比0.85%。病原菌群体组成中以镰刀菌属(Fusarium)真菌株数最多,为优势病原类群,其中的尖孢镰刀菌(F. oxysporum)和腐皮镰刀菌(F.solani)在该属中数量最多,为优势病原种。

3 结论与讨论

本研究通过对河南省各地市花生果腐病样本的分离和纯化,共获得710株菌株。根据菌落、孢子等的形态特征,初步将所有菌株归为13属。经致病性测定和柯赫氏法则验证,确定其中5属的菌株为引起河南省花生果腐病的病原真菌,进一步结合形态学和分子生物学鉴定上述病原真菌分别为镰刀菌属尖孢镰刀菌(F. oxysporum)、腐皮镰刀菌(F. solani)、层出镰刀菌(F. proliferatum)和厚垣镰刀菌(F. chlamydosporum)、曲霉属黑曲霉(A. niger)和黄曲霉(A. flavus)、可可毛色二孢(L. theobromae)、齐整小核菌(S. rolfsii)及侵管新赤壳(N. vasinfecta)。
优势病原属镰刀菌属是一类分类鉴定较为复杂的真菌。该属真菌种类繁复,种间形态差异较小,准确区分属内真菌到种需结合菌株的形态学与分子生物学共同鉴定。在分子生物学鉴定中,真菌r DNA的ITS区域常被用于真菌种间分类鉴定,但许多镰刀菌的ITS区具有非定向进化同源基因的拷贝,种内多样性较低,单靠ITS区序列进行分类准确性不高[17]TEF-1α基因在镰刀菌基因组中为单一拷贝,在镰刀菌种的水平上有丰富的遗传进化信息,且表现出较高的保守性,是镰刀菌鉴定的有效工具[18]。本研究经形态鉴定初步确定镰刀菌属真菌具体株数,之后结合ITS和TEF-α序列分析,完成了花生果腐病镰刀菌属病原菌的鉴定,明确了该属病原菌组成为尖孢镰刀菌(F. oxysporum)、腐皮镰刀菌(F. solani)、层出镰刀菌(F. proliferatum)和厚垣镰刀菌(F. chlamydosporum)四种。另外,本文的第五类病原侵管新赤壳因与镰刀菌相似性较高,最新的分类系统将其归为镰刀菌属新孢镰刀菌(F. neocosmosporiellum[19],本文仍沿用原名称侵管新赤壳(N. vasinfecta)。
本研究确定的河南省花生果腐病病原共包括5类9种真菌,且在分离病样时同一病果中得到的病原菌常不止一种,病原群体组成较为复杂。这与前人的花生果腐病的病原为复合病原的研究结果相一致[4-10]。同时河南省的花生果腐病病原与已报道的其他省份的病原组成不尽相同,也进一步证实了不同的生态环境或地理环境中花生果腐病病原群体结构组成存在较大差异。此外,本研究确定的5类河南省花生果腐病原真菌均为土传病害病原真菌,在不同时期,可引起多种作物枯萎、根腐、茎基腐、猝倒、果荚腐烂等症状[20-23]。且此5类病原真菌也分别是花生根腐病、冠腐病、颈腐病、白绢病、基腐病的病原,对于花生果腐病是否是上述花生根茎病害病原菌的潜伏扩展所致尚需对花生果腐病的侵染路径、致病机理等做详细研究。

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