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马尾松Pinus massoniana为松科Pinaceae松属Pinus的常绿大乔木,最高达45 m,树皮呈红褐色,多见于中国南方[1-2]。马尾松是中国松属中占比最大的一类树种,因其速生和耐贫瘠的特点成为经济效益较大的用材树种之一[3]。松材线虫Bursaphelenchus xylophilus病又称松树萎蔫病,其扩散途径主要为人类行为传播和松墨天牛Monochamus alternatus携带传播2种[4],且扩散速度快,危害程度极高,对林业经济和森林资源造成了极大损失[5]。因马尾松侵染初期并不表现任何特征,一旦发病则植物开始枯萎且无法救治,最终死亡,所以松材线虫病也被称为“森林癌症”[6]。松材线虫病的早期研究主要集中于致病机制[7];后随科技和经济发展,化学和物理防治研究逐步取得进展[8];近年来,由于环境问题日益突出,生防研究逐渐受到重视,尤其对植物体内生防细菌的研究与应用。谈家金等[9]通过水培离体松枝得到1株坚强芽孢杆菌Bacillus firmus GD2,可影响松材线虫病的侵染,首次证明茎部内生细菌与松材线虫病之间有密切联系。袁文婷[10]从马尾松与黑松Pinus thunbergii茎部分离到9株内生细菌,其中3株对部分病原菌有一定拮抗作用。CARRELL等[11]、IZUMI等[12]在柔松Pinus flexilis、欧洲赤松Pinus densiflora的根部与根际发现了大量不同种类的内生细菌。胡振亮等[13]从健康油松Pinus tabuliformis根部、木质部、韧皮部及松针等7个部位分离到40株内生细菌,其中1株枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis可对松树枯梢病Sphaeropsis sapinea起到抑制作用。李阳[14]对健康马尾松接种清水处理与空白对照,证实了接种产生的机械损伤与野外条件变化对菌群结构并无影响。综上可知,自2000年以来,对松科植物内生细菌相关的研究已取得一定进展,但对马尾松不同部位内生细菌的研究并不多,尤其缺乏高通量测序技术对松材线虫病侵染后马尾松内生细菌菌群的研究。基于此,本研究利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术与高通量测序技术,探究野外接种松材线虫后马尾松不同部位内生细菌菌群的结构变化,为松材线虫病的早期诊断和后期生防菌株的挖掘提供理论参考。
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如图1所示:松针部位空白对照组(即侵染0 d)和侵染15 d的样品条带数量和亮度基本不变,侵染30 d后条带数量增多且亮度加深,侵染45 d后条带的亮度和数量进一步增加,但侵染60 d后,条带的数量减少且亮度减弱。松干部位不同侵染期样品的条带数量和亮度差异最大,侵染15 d后样品条带即开始变化,侵染30 d后其数量与亮度明显增加且到达高峰;至侵染后期,条带整体变化不明显,但条带数量有一定的减少,且部分条带明显增亮或减弱。相比松干与松针,根系的变化非常小,不同侵染期条带的数目与亮度均无明显变化,整体相对稳定。
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如图2所示:松干部位侵染0与60 d样本数据的离散程度最小,中位数约20;侵染30 d数据最大值可达80,数据离散程度极大,中位数约60;侵染15与45 d的样本数据离散程度中等,中位数约30,其中P=0.000 8,小于0.05。松针部位各组数据的离散程度相近,除侵染0与45 d样本的中位数接近70,剩余3组数据中位数约20,其P=0.089 8,大于0.05。根系部位数据的离散程度最小,除空白对照外,不同侵染期样本中位数均接近60,且P=0.714 4,大于0.05。
图 2 不同时期马尾松内生细菌菌群的差异箱式图
Figure 2. Box diagram of differences in endophytic bacterial flora of P. massoniana in different infection stages
综上可知:根系部位物种多样性整体离散程度最小,差异不显著(P>0.05);松干部位整体离散程度最大,且各组数据间的离散程度差异也较大,差异显著(P<0.05);松针部位整体离散度介于松干与根系之间,但各组数据间的离散程度基本一致,差异显著(P<0.05)。
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利用PAST软件对条带数据进行统计分析,得到不同侵染时期马尾松内生细菌菌群的多样性指数,即香农威纳指数(Shannon-Wiener)、均匀度指数(Pielou)以及丰富度指数(Margalef)。如表1所示:随侵染时间延长,松干的Shannon-Wiener指数由1.93上升到3.12,Margalef指数由1.01到3.27;松针的Shannon-Wiener指数从2.06到2.73,Margalef指数由1.02到1.85,与松干部位变化趋势一致;根系部位的多样性数值远大于松针与松干部位,但数值间的差值极小。由此可知,随侵染时间延长,松干和松针部位内生细菌菌群的多样性都呈先增加后减少的变化趋势;根系部位的菌群结构多样性变化极小,但多样性最丰富。
表 1 不同时期马尾松内生细菌菌群结构的多样性指数分析
Table 1. Analysis of diversity index of the endophytic bacterial community structure of P. massoniana in different periods
部位 侵染时间/d Shannon-Wiener指数 Pielou指数 Margalef指数 松针 0 2.06 0.88 1.02 15 2.39 0.87 1.39 30 2.81 0.86 2.05 45 2.92 0.86 2.33 60 2.73 0.86 1.85 松干 0 1.93 0.70 1.01 15 2.68 0.73 2.15 30 3.06 0.76 2.93 45 3.22 0.72 3.58 60 3.12 0.73 3.27 根系 0 3.51 0.74 4.40 15 3.58 0.78 4.41 30 3.67 0.79 4.74 45 3.50 0.73 4.30 60 3.63 0.77 4.60 -
由OTUs维恩图(图3)可知:根系部位菌群的OTU数最多,为4 523,且随侵染时间延长,OTU数无明显变化趋势;松针与松干菌群的OTU总数分别为3 833和3 823,且随侵染时间延长表现为持续增长的变化趋势,其中侵染15 d的松干部位特有OTU数由48突增至154,变化最大。这与DGGE图谱分析结果相同,即松干与松针条带数目在空白对照组极少,且随侵染时间延长逐渐增多;菌群多样性变化与条带数目相同,即松干被侵染15 d菌群结构多样性明显增多,而松针部位菌群则随侵染时间变化逐渐增多。可见,在长期侵染过程中,松材线虫的侵染确实对不同部位细菌菌群结构的变化有较大影响,其中松干部位对松材线虫病的侵染敏感性最强,响应速度最快;松针次之,根系则基本不受侵染影响。
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综上可知,DGGE与高通量测序结果一致,DGGE分析能够直观地比较和分析马尾松不同部位细菌群的结构差异,可对菌群进行定性分析,但无法直接检测到菌群的种类,仍需配合其他实验方法如T克隆。高通量测序技术则凭借其大量、速度、准确的特点可直接检测到较全面的马尾松菌群信息。本研究检测到马尾松体内细菌共442属,隶属于35门49纲110目210科。
由图4可知:在门水平上,相对丰度排名前10的细菌分别为蓝藻细菌门Cyanobacteria、变形菌门Proteobacteria、放线菌门Actinobacteria、酸杆菌门Acidobacteria、拟杆菌门Bacteroidetes、浮霉菌门Planctomycetes、绿弯菌门Chloroflexi、芽单胞菌门Gemmatimonadetes、疣微菌门Verrucomicrobia及装甲菌门Armatimonadetes,其中分布最广、种类最多的是放线菌门与变形菌门。
由图5可知:在属水平上,松干部位侵染0与15 d菌群的种类相差非常大,如Bryobacter属、Pseudolabrys属、类诺卡氏属Nocardioides、分枝杆菌属Mycobacterium与弗莱德门菌属Friedmanniella,在侵染0 d时,上述菌群几乎没有,侵染15 d后才出现;侵染15~60 d相对丰度整体变化减弱,但部分菌种如甲基杆菌属Methylobacterium、假平胞菌属Sphingomonas与薄层菌属Hymenobacter在侵染后期相对丰度有所增加。与松干相比,松针部位内生细菌菌群种类变化并不明显,但菌群丰度变化较明显,如泛菌属Pantoea与假平胞菌属随侵染时间延长其相对丰度整体呈先增加后减少的趋势,甲基杆菌属、假单胞菌属Pseudomonas、短小杆菌属Curtobacterium则表现为持续减少的趋势。其余菌属如蓝藻菌属Cyanobacteria、伯克氏菌属Burkholderia、放线菌属Amnibacterium、变形杆菌属Gammaproteobacteria、罗思河小杆菌属Rhodanobacter、拜叶林克氏菌属Beijerinckiaceae、酸杆菌属Acidobacteria、嗜麦芽窄食单胞菌属Stenotrophomonas、溶杆菌属Lysobacter、慢生根瘤菌属Bradyrhizobium和节杆菌属Arthrobacter则并无明显丰度变化。根部内生细菌菌群的种类与相对丰度则始终维持在一定水平。
Effect of Bursaphelenchus xylophilus infection on the endophytic bacterial community structure in different parts of Pinus massoniana seedlings
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摘要:
目的 探究松材线虫Bursaphelenchus xylophilus侵染下松干、松针与根系部位内生细菌菌群的结构变化,可充分挖掘马尾松Pinus massoniana内生细菌资源。 方法 采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)及高通量测序技术,对松材线虫侵染下3年生马尾松不同部位内生细菌的结构多样性进行分析。 结果 ①马尾松不同部位内生细菌菌群结构存在较大差异,菌群多样性从大到小依次为松干、松针、根系。②松干部位部分细菌属在侵染15 d时丰度明显增加,但苗木表面并不表现任何症状。③马尾松体内共检测到内生细菌442属,分属35门49纲110目210科。其中松干与松针部位的甲基杆菌属Methylobacterium、假平胞菌属Sphingomonas、薄层菌属Hymenobacter、泛菌属Pantoea、假单胞菌属Sphingomonas与短小杆菌属Curtobacterium在侵染过程中相对丰度变化较大。 结论 松材线虫侵染下,马尾松根部基本不受影响,但松干部位内生细菌菌群结构变化极显著,其次是松针。部分内生细菌可能对松材线虫病具有潜在生防效果,有助于后期生防菌株的挖掘。在侵染高峰期实时监测干部内生细菌菌群结构变化,有助于松材线虫病的早期诊断。图5表1参25 Abstract:Objective With an investigation of the structural changes of the endophytic bacterialflora of pine stems, pine needles and pine roots, this study is aimed to fully explore the endophytic bacterial resources of Pinus massoniana. Method DGGE and high-throughput sequencing technology was employed in the exploration of the structural changes of endophyticbacterial flora of three-year-old P. massoniana trees upon the infection of Bursaphelenchus xylophilus disease. Result (1) There was a significant diversity in the endophytic bacterial community structure in different parts of P. massoniana trees with the diversity decreasing from the pine stem to pine needles and to the root system. (2) There was significant increase in parts of the bacterial genera in pine stems after 15 days of infection, whereas there were no symptoms shown on the surface of the seedlings. (3) Of the 442 genera of endophytic bacteria detected in P. massoniana that fall into 35 phyla, 49 classes, 110 order and 210 families, the relative abundance of Methylobacterium, Sphingomonas, Hymenobacter, Pantoea, Sphingomonas and Curtobacterium in pine stems and pine needles varies greatly throughout the infection process. Conclusion The effect of the infection of B. xylophilus disease on the structure of the endophytic bacterial flora varies from none to pretty significant to extremely significant in roots, pine needles and pine stems respectively. And some endophytic bacteria may have potential biocontrol effects on B. xylophilus disease, which is conducive to the excavation of later biocontrol strains. In addition, real-time monitoring of changes in the bacterial community structure of pine stems during the peak period of infection is helpful to the early diagnosis of B. xylophilus disease. [Ch, 5 fig. 1 tab. 25 ref.] -
表 1 不同时期马尾松内生细菌菌群结构的多样性指数分析
Table 1. Analysis of diversity index of the endophytic bacterial community structure of P. massoniana in different periods
部位 侵染时间/d Shannon-Wiener指数 Pielou指数 Margalef指数 松针 0 2.06 0.88 1.02 15 2.39 0.87 1.39 30 2.81 0.86 2.05 45 2.92 0.86 2.33 60 2.73 0.86 1.85 松干 0 1.93 0.70 1.01 15 2.68 0.73 2.15 30 3.06 0.76 2.93 45 3.22 0.72 3.58 60 3.12 0.73 3.27 根系 0 3.51 0.74 4.40 15 3.58 0.78 4.41 30 3.67 0.79 4.74 45 3.50 0.73 4.30 60 3.63 0.77 4.60 -
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20200562