娄彻氏链霉菌D74联合玉米轮作对向日葵列当的防除应用
Maize Rotation Combined with Streptomyces rochei D74 to Eliminate Orobanche cumana Seed Bank in the Farmland
Article，2022-12-9
Agronomy, [IF 3.939]
DOI：https://doi.org/10.3390/agronomy12123129
原文链接：https://www.mdpi.com/2073-4395/12/12/3129
第一作者：Jiao Xi (席娇)
通讯作者：Yanbing Lin (林雁冰)；Yongxin Liu (刘永鑫)
主要单位：
1. 西北农林科技大学生命科学学院(College of Life Sciences, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)
2. 中国科学院水利部水土保持研究(State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)
3. 西北农林科技大学资源环境学院(College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)
4. 中国农业科学院深圳农业基因组所(Shenzhen Branch, Guangdong Laboratory of Lingnan Modern Agriculture, Genome Analysis Laboratory of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, China)
- 摘 要 -
向日葵列当是一种根寄生杂草，具有特殊的生长史，种子萌发与寄生均在地下进行，常用的防除方法难以在向日葵列当种子萌发时期进行阻断。目前常用的防除措施往往是单一的方法，且防除效果有限。在土壤种子库较多的土地中，列当严重制约了向日葵产业的发展。因此寻找更加经济、高效防除向日葵列当的措施迫在眉睫。本研究结合两种生物防除手段，旨在解决列当寄生问题。生测试验表明，放线菌D74无细胞发酵滤液可有效抑制列当种子萌发。高浓度D74发酵液处理后的列当种子芽管长度多集中于0–1mm区间，低浓度处理后的列当种子芽管长度多集中于1–3mm区间。两年的盆栽轮作试验表明D74联合玉米轮作可促进向日葵生长，表现为向日葵生物量积累，根系茂密，根长增加11.87%–43.14%，株高显著增加11.21%–29.08%。联合使用菌剂D74与轮作玉米相较于单独使用一种方法，显著减少了列当出土数及寄生总数。联合措施影响了向日葵根际土壤细菌群落组成，主要表现为Streptomyces和Brevibacterium数量增加，Arthrobacter数量降低，且不同处理组间微生物群落组成表现出差异。该实验结合多重生物防除手段，有效减少列当了的寄生，为实际应用提供了有效依据。
- 引 言 -
向日葵列当是一种全寄生性杂草，缺乏叶绿素，无光合作用能力。寄主植物根部分泌的发芽信号物质——独脚金内酯，可以被列当种子感知，引起发芽，并在末端形成一种特殊瘤状突起组织——吸器。它可以吸附在寄主根表，穿透根系表皮，生长至木质部和韧皮部，在寄主与列当之间形成连续的“木质素桥”。列当通过吸取寄主体内的碳水化合物、水分和矿物元素来满足其自身生长发育需求，最终生长至地表，开花并产生大量微小的种子。受列当严重寄生的影响，向日葵产量减少，品质降低，这影响了农民收益，进而阻碍了农业发展。目前常用的列当防治办法主要有人工拔除，喷洒除草剂，土壤熏蒸，灌溉，诱捕作物轮作，化感作用等。
本研究使用玉米作为诱捕作物，玉米根系的分泌物可以刺激周围土壤中列当种子萌发，但无法与作物建立有效连接，最终由于缺乏营养物质的供应而死亡。重复种植诱捕作物，使有寄生活性的列当种子徒劳地发芽而没有产生新的种子补充，可以有效减少土壤种子库含量。本试验使用的菌株是课题组前期筛选出对列当具有萌发抑制潜力的放线菌——娄彻氏链霉菌D74，同时该菌株还可以促进多种作物生长。
- 结 果 -
D74发酵液对向日葵列当种子萌发的影响
Effects of D74 Fermentation Filtrates on the Germination of O. cumana Seeds
D74发酵液对列当种子萌发的影响如图1a所示，未添加D74发酵液对照组（GR24）向日葵列当种子萌发率为83.31%，添加D74发酵液原液（浓度为3.1 mg/mL）时向日葵列当种子萌发率为0%。这表明D74原液对列当种子的萌发有显著的抑制作用（p < 0.05），且抑制率可达100%。随D74发酵液稀释梯度的增加，列当种子萌发率逐渐升高，且列当种子末端出现较多乳状突起，即吸器。对萌发的种子芽管进行测量（图1b），结果表明添加菌液可以抑制列当种子芽管的生长。从列当萌发形态观察，D74发酵液处理后的列当种子颜色呈深褐色，体积膨大，芽管顶端呈球面（图1c），表现出非健康状态。向日葵与列当共培养试验结果（图1d）与萌发实验结果一致：高浓度D74发酵液对列当种子的萌发有显著抑制作用。随着D74发酵液稀释倍数的增大，其对列当种子萌发和寄生的抑制作用逐渐减弱。
图1 不同浓度的D74发酵液对向日葵列当萌发率（a, c）、芽管长度（b）和寄生（d）的影响。
玉米轮作联合放线菌菌剂对向日葵生长的影响
Effects of Maize Rotation and S. rochei D74 Agents on Sunflower Growth
轮作盆栽实验在向日葵成熟期收获并观察其生长情况，添加列当种子组的向日葵长势相较于未添加列当种子组较弱。具体表现为植株矮小，茎秆较细，叶片泛黄且不饱满，表明列当可严重制约寄主向日葵的生长（图2）。添加D74菌剂（NXJY与NXJN）相较于对照组（NXNY与NXNN）主根长度增长且须根及侧根数目显著增多，尤其在NXJY组中水平根发育状态良好，形成根网，有助于吸收基质中的养分和水分，并传输至地上茎以及植物的其他组织，满足植物生长。综合两年结果，添加列当种子后向日葵株高、茎粗、地上、地下部分干重以及根长均显著低于未添加列当种子（p<0.05），表明列当可对向日葵植株生物量造成严重损耗；在列当寄生条件下，玉米轮作与菌剂联合使用对向日葵的促生效果十分显著，高于单独使用D74菌剂或玉米轮作。
图2 D74菌剂和玉米轮作对向日葵生长的影响。（a，b分别为向日葵第一年和第二年的地上和地下干重测定结果，c，第二年根系扫描图）。
玉米轮作联合放线菌菌剂对向日葵列当寄生的影响
Effect of Maize Rotation and S. rochei D74 Agents on O. cumana Parasitism
第一年种植结果主要探究D74菌剂单独作用对向日葵列当生长的影响（图3）。添加D74菌剂的LXJY组列当出土个数和出土率低于未添加D74组LXNY与LXNN。第二年种植结果主要探究D74菌剂与轮作玉米二者单独作用及联合使用时对向日葵列当生长的影响。单独轮作玉米组（LXNY）对列当出土数及总寄生数都有显著的抑制作用，其中相较于对照组LXNN分别显著降低65.22%、64.36%（p<0.05）。轮作玉米配施D74菌剂组（LXJY）相较于LXJN对列当出土数抑制率可达78.26%，抑制效果最好，对列当寄生总数抑制率为48.51%。第二年收获时不同处理组向日葵列当的出土数及寄生总数相较于第一年呈大幅度降低。这表明连续种植诱导作物可以在不产生列当种子的情况下有效减少土壤中列当种子库数量。综上，单独轮作玉米或单施D74菌剂都可以降低列当寄生数量，但两种措施联合使用，对列当的抑制效果则最佳（p<0.05）。
图3 D74菌剂和玉米轮作对列当寄生的影响。（a，第一年测定结果；b，第二年结果，红色数字代表列当出土率）。
玉米轮作联合放线菌菌剂
对向日葵根际细菌群落的影响
Effect of Maize Rotation and S. rochei D74 Agents on Rhizosphere Microbiota
不同处理组向日葵根际土壤中可培养细菌种类及相对丰度在TSB与R2A培养基筛选结果相似，细菌均分布于3个门中：Actinobacteria，Firmicutes和Proteobacteria（图4）。施加D74菌剂与轮作玉米对向日葵根际土壤可培养微生物数目会产生一定影响。无论是否存在列当，施加D74菌剂、轮作玉米或共同处理后的土壤中分离得到的细菌数目高于相应对照组。扩增子结果表明，在不同处理组的向日葵根际土壤中，top 5的细菌门为Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Gemmatimonadetes和Bacteroidetes（图5）。群落分析结果表明，D74菌剂与玉米轮作联合使用，对群落差异影响最大，单施D74菌剂次之，轮作玉米的影响最小。
图4 土壤中有无列当种子时，添加D74菌剂和玉米轮作对可培养微生物的影响。（a，TSB培养基；b，R2A培养基）
图5 土壤中有无列当种子时，添加D74菌剂和玉米轮作对根际微生物的影响。
- 讨 论 -
本研究通过轮作试验，不仅表明单独使用放线菌D74与轮作玉米对列当及向日葵植株的效果。还进行了微生物联合作物轮作，探究了协同使用的效果。结果表明，将生物控制与作物轮作方法联合使用，不仅可以防除列当寄生的草害问题，还增加了向日葵物质积累，促进生长。这一方法打破以往单一的列当防除思路，且通过微生物菌剂代替化学防治，对环境的影响较小，符合绿色环保理念，利于其在农业上推广，有望实现长期有效的控制列当寄生的目标。
- 通讯作者 -
西北农林科技大学生命科学学院
林雁冰
教授，博士生导师，副院长
林雁冰，西北农林科技大学生命科学学院教授、博士生导师，副院长。2012年在西北农林科技大学获得微生物学博士学位。随后在美国亚利桑那大学做访问学者，现在西北农林科技大学生命科学学院工作，任副院长，主管研究生工作。在Journal of Hazardous Materials, Environmental pollution, Science of The Total Environment, Chemosphere, Applied soil ecology，Chemosphere，Land Degradation & Development等国际期刊发表论文20余篇。主要从事植物根际微生物生态、塑料的微生物降解及污染环境的生物修复、植物土传病害的微生态机制等方面的研究。
中国农业科学院深圳农业基因组研究所
刘永鑫
研究员，博士生导师
2014年博士毕业于中国科学院大学生物信息学专业，之后在中国科学院遗传与发育生物学研究所工作历任博士后、工程师、高级工程师，2022年10月加入中国农业科学院深圳农业基因组研究所担任课题组长。研究方向为宏基因组方法、食品微生物组和科学传播。参与QIIME 2项目，主导开发了易扩增子(EasyAmplicon)、易宏基因组(EasyMetagenome)、培养组(Culturome)分析流程、数据分析网站(EVenn、ImageGP) 和R包(amplicon、ggClusterNet)等，目标是全面打造宏基因组领域方法学基础设施，推动微生物组学发展。以(共同)第一或通讯作者在Nature Biotechnology、Nature Microbiology、iMeta等期刊发表论文20余篇。合作在Science、Cell Host & Microbe、Microbiome等期刊发表论文20余篇，累计发表论文40余篇，被引10000+次。主编《微生物组实验手册》专著，由300多位同行参与，共同打造本领域长期更新的中文百科全书。创办宏基因组公众号，14万+同行关注，分享原创文章3千余篇，累计阅读量超3千万，打造本领域最具影响力的科学传播平台。发起《iMeta》期刊，联合全球千位专家共同打造宏基因组学、微生物组和生物信息学顶刊，解决我国本领域期刊出版卡脖子问题。
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