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落叶松八齿小蠹Ips subelongatus给东北以落叶松Larix spp.为建群树种的森林生态系统带来了巨大的经济和生态损失[1-2],被列为中国林业危险性有害生物。在森林生态系统中,小蠹虫与真菌能够形成稳定的伴生关系,这种关系某种程度上属于互惠共生。长喙壳类真菌(ophiostomatoid fungi)为小蠹虫伴生真菌的主要类群[3-5]。许多情况下小蠹虫危害寄主甚至导致寄主死亡的过程中,长喙壳类真菌起到关键作用[6-7]。一些长喙壳类真菌是重要的林木病原物,具有强致病力。如Endoconidiophora polonica在人工接种条件下可以将40年生云杉Picea abies致死[8],而且伴生菌的侵染还可以增加小蠹的危害性[9]。近年来,中国也对落叶松八齿小蠹伴生真菌有一些研究和报道[10-12],主要集中在对伴生菌的鉴定和系统发育分析上[13-14],发现了多种落叶松八齿小蠹伴生长喙壳真菌种类。野外落叶松成熟林接种实验表明:Ophiostoma olgensis和Endoconidiophora fujiensis等2个优势种表现出显著的致病性,这2种真菌可以在内韧皮部和形成层形成明显坏死斑[10, 15]。由于该类病害发生隐蔽,一般很难早期发现和诊治。为了达到早发现早治疗的目的,摸清病害的分布并评估其危害,需要实现对病原菌的快速和准确检测,从而为病害和虫害的防治提供科学基础。快速检测技术已经广泛应用于植物病原物和害虫的检测,如线虫、病原真菌、枣实蝇Carpomya vesuviana和细菌等[16-21]。针对不同物种检测所用方法也不同,特异引物聚合酶链式反应(PCR)检测方法是设计特异性引物来实现对待检目标的特异性检测,国外已有一些长喙壳真菌种类利用该方法实现检测的报道[19-21],但对中国北方落叶松林内分布的病原菌的快速检测一直是空白。传统组织分离法是进行病害鉴定的首要方法,然而受人为和环境因素,以及病原菌的生长特点等影响,往往不能对病原菌实现有效分离。尝试直接从感病寄主组织中提取DNA进行病原菌的特异性检测,是本项研究希望解决的问题。
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试验菌株为分离自中国北方的兴安落叶松Larix gmelini,长白落叶松L. olgensis,华北落叶松L. principis-rupprechtii和日本落叶松L. kaempferi林中的落叶松八齿小蠹伴生真菌,包括Endoconidiophora fujiensis等,分布于欧洲落叶松L. decidua林内的近缘种欧洲落叶松八齿小蠹Ips cembrae和欧洲云杉Picea abies林内的近缘种云杉八齿小蠹Ips typographus伴生的长喙壳真菌种类,包括Endoconidiophora laricicola等,以及其他长喙壳真菌近缘种,如分离自山东、浙江的松材线虫病Bursaphelenchus xylophilus伴生长喙壳真菌,菌株详细信息见表 1。除分离自中国的长喙壳类真菌外,其余菌株购自荷兰乌得勒支菌种保藏中心(CBS),或交流自南非林业和农业生物技术菌种保藏中心(CMW),加拿大国家真菌标本和菌种保藏中心(DAOM)和日本筑波大学植物病理与真菌学、生命与环境科学实验室(YCC)。上述菌株保存在中国林业科学研究院菌物保存中心(CFCC)与森林生态环境与保护研究所森林病理实验室(CXY)。
表 1 特异性引物设计与检测所用长喙壳真菌菌株信息
Table 1. Ophiostoma and Endoconidiophore species used for developing species-specific sequences primers
种名 菌株编号 寄主植物/伴生昆虫 采集地 ITS序列登录号 Endoconidiophora fujiensis CBS100208* 日本落叶松/落叶松八齿小蠹 日本 AY233948 CMW1952 日本落叶松/落叶松八齿小蠹 日本 AY233924 CXY1506* 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JC762578 CXY1515* 华北落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JC762574 CHY1520* 长白落叶松/落叶松八齿小蠹 中国黑龙江 JC762582 E. laricicola CBS100207* 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 苏格兰 AY233910 CBS109260* 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 奥地利 AY233918 CMW4522 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 苏格兰 AY233908 E. polonica CBS133.38* 欧洲云杉/云杉八齿小蠹 波兰 AY233898 CBS109263* 欧洲云杉/云杉八齿小蠹 奥地利 AY233904 CMW2284 日本鱼鳞云杉Picea jezoensis/云杉八齿小蠹 日本 AY233894 Ophiostoma abietinum CBS125.89 冷杉Abies yabri/平海小蠹Pseudohylesinus swain 墨西哥 AF484453 CHY1555* 长白落叶松/落叶松八齿小蠹 中国黑龙江 JY593322 O. bicolor CBS492.77* 白云杉Picea glauca/白云杉齿小蠢Ips perturbattts 美国 DQ268604 O. cf. bicolor CHY1524* 华北落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JY593321 O. brunneo-ciliatum CHY1416* 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JY593323 CMW5214 落叶松Larix sp. 苏格兰 HM031501 O. deltoideosporum CHY1624* 黑松Pinus thunDergii/松材线虫病 中国山东 JY094069 O. floccosum CMW12622 欧洲赤松Pinus sylvestris 奥地利 FJ430472 CHY1412* 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JY593320 O. ips CMW9005 欧洲赤松/松六齿小蠹Ips acuminatus 瑞典 AY546698 CHY1628* 黑松/松材线虫病 中国山东 JY593324 O. kryptum DAOM 229705* 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 奥地利 AY304426 O. minus CMW26254 红脂大小蠢Dendroctonus valens 中国 EU785442 YCC658 日本落叶松/落叶松八齿小蠹 日本 GU134172 O. novo-ulmi CMW1461 英国榆Hlmus pocera 美国 FJ430476 O. olgensis CHY1406? 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JU551301 CHY1411? 长白落叶松/落叶松八齿小蠹 中国黑龙江 JU551304 O. cf. olgensis CHY1642? 马尾松/松材线虫病 中国浙江 JY094074 O. piceae CMW 3099 云杉Picea sp. 加拿大 FJ430484 说明:*表示特异PCR检测所用菌株。 -
PCR仪(Biometra,德国),Mixer/Mill 8000高能量球磨机(SPEX CertiPrep,美国),DYY-4型稳压稳流电泳仪(北京六一仪器厂,中国),Alpha imager EP凝胶成像系统(ProteinSimple,美国),天根植物基因组DNA提取试剂盒(离心柱型),核酸染料。
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在北方3种落叶松林内进行落叶松八齿小蠹虫体样本与坑道组织样本的采集,每个虫体单独保存于灭菌1.5 mL的离心管内,坑道标本分装于干净牛皮纸信封内,自然通风保存。尽快带回实验室用于真菌的分离和DNA的提取。
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伴生真菌的分离采用组织分离法,用剪刀将坑道标本切成5 mm × 5 mm大小的组织块,用质量分数为1.5%次氯酸钠溶液进行表面消毒处理50 s,后用无菌水冲洗干净。将冲洗干净的组织块放在无菌滤纸上,待表面水分吸干后接种质量分数为2%的水琼脂培养基上,将培养皿封口后置于25 ℃恒温培养箱黑暗培养。培养4 d后挑取菌落外端的菌丝块进行分离纯化,将纯化后的真菌接种到质量分数为2% MEA培养基(麦芽浸粉10 g,琼脂粉10 g,加蒸馏水配制500 mL)进行培养。基于形态学和DNA片段系统发育分析鉴定为Ophiostoma olgensis和Eudoconidiophora fujiensis[14-15]。
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从菌丝块和韧皮坑道组织样本中提取DNA。菌丝块DNA提取:首先用无菌接种针挑取收集菌丝组织,将菌丝块放入1.5 mL的离心管中,放在-20 ℃冰箱中冷冻,采用北京天根公司植物基因组DNA提取试剂盒推荐的方法来提取DNA。在分别分离到病原菌O. olgensis和E. fujiensis的感病韧皮部组织样本中提取总DNA,方法如下:将样本切成4 mm × 4 mm大小的组织块,放入1.5 mL的离心管中,放在-20 ℃冰箱中冷冻1晚,然后将其放在高能量球磨机中研磨7 min,余下步骤与菌丝组织DNA提取方法相同。
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分别以Ophiostoma olgensis和Eudoconidiophora fujiensis的ITS序列为目标序列[22-23],通过Blast在基因库(GenBank)上搜索与之亲缘关系较近的菌种已发表的ITS序列(表 1),用MAFFT在线进行序列比对分析。针对目标菌种的特殊序列区域人工设计引物,之后针对引物是否存在发夹结构和二聚体等使用Primer Premier 5.0进行检查。将设计好的引物序列在GenBank中检查序列同源性。针对O. olgensis设计引物15对,针对E. fujiensis设计引物10对,并分别对目标菌种纯培养物DNA进行扩增反应,用琼脂糖凝胶进行电泳检测,通过观察扩增条带的宽度和大小进行筛选,各获得特异引物1对,用于上述菌丝和寄主组织DNA的扩增。引物由北京宝锐通生物科技有限公司合成。PCR扩增反应体系如下:100 mmol·L-1氯化钾,2×Taq PCR MasterMix [500 μmol·L-1三磷酸碱基脱氧核苷酸(dNTP),0.1 U(1 U=16.67 nkat)Taq聚合酶,3 mmol·L-1氯化镁,20 mmol·L-1三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl,pH 8.3)]12.5 μL,双蒸水9.5 μL,模板1.0 μL,引物(浓度1 μmol·L-1)各1.0 μL。针对O. olgensis和O. kryptum的反应条件为94 ℃ 3 min;94 ℃ 1 min,63 ℃ 45 s,72 ℃ 1 min,循环35次;72 ℃ 4 min。针对E. fujiensis的反应条件为94 ℃ 3 min;94 ℃ 1min,64 ℃ 45 s,72 ℃ 1 min,循环35次;72 ℃ 4 min。PCR扩增产物用琼脂糖凝胶(2.2%)进行电泳检测(130 V, 60 min),拍摄电泳照片,观察扩增条带的宽度和大小。
Specific and rapid detection of the pathogenic fungi associated with Ips subelongatus
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摘要: 落叶松八齿小蠹Ips subelongatus严重危害落叶松Larix spp.林,造成了巨大的经济和生态损失,被列为中国林业危险性有害生物。长喙壳类真菌(ophiostomatoid fungi)是小蠹虫伴生菌中的最主要类群,在小蠹虫危害寄主甚至导致寄主死亡的过程中起到了重要作用。一些长喙壳类真菌是重要的植物病原物,具有强致病力。实现病原菌的特异性和快速检测是明确病害分布和评估其危害的前提条件。为克服传统组织分离受多种因素制约的缺陷,对2种病原菌进行快速特异性聚合酶链式反应(PCR)检测,以内源转录间隔区(ITS)为目标序列,对比Endoconidiophora属和Ophiostoma属的14个近缘种,分别筛选出可以从目标真菌类群以及寄主组织中扩增出特异性片段的种特异性(SS-)PCR引物对OK1/OK2和CFU1/CFU2。引物对OK1/OK2可以从O. olgensis中特异性扩增出1条248 bp的清晰明亮条带,引物对CFU1/CFU2可以从E. fujiensis中特异性扩增出1条251 bp的清晰明亮条带。使用特异性引物能够直接从感病韧皮部组织中检测出O. olgensis和E. fujiensis。
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关键词:
- 森林保护学 /
- 落叶松八齿小蠹 /
- Ophiostoma olgensis /
- Endoconidiophora fujiensis /
- SS-PCR快速检测
Abstract: Ips subelongatus, a native bark beetle categorized as a dangerous forest pest in China having caused huge losses to larch forests, and ophiostomatoid fungi, important plant pathogens with strong pathogenicity which numerous studies have shown to be the main group of fungi associated with bark beetles, have played a key role in the process of beetle damage, sometimes killing tree hosts. This study on specific and rapid detection of pathogens, a prerequisite for clarifying the distribution of diseases and assessing their hazards, was designed to overcome the shortcomings of traditional tissue isolation, which normally influenced by a variety of anthropological factors. Two pathogens Ophiostoma olgensis and Endoconidiophora fujiensis were specifically detected by polymerase chain reaction (PCR). Internal transcribed spacer (ITS) sequences were used as a target to design species specific (SS-) PCR primers through comparison of 14 sibling species from the genera Endoconidiophora and Ophiostoma. Results showed that two pairs of primers (OK1/OK2 and CFU1/CFU2), which could amplify specific sequences from the fungal flora and host tissues, were screened out. Primer pairs OK1/OK2 and CFU1/CFU2 specifically amplified a clear and bright band of 248 bp from O. olgensis and 251 bp from E. fujiensis. Thus, O. olgensis and E. fujiensis were detected by the SS-PCR from phloem tissues in which the two fungi had been previously isolated. -
表 1 特异性引物设计与检测所用长喙壳真菌菌株信息
Table 1. Ophiostoma and Endoconidiophore species used for developing species-specific sequences primers
种名 菌株编号 寄主植物/伴生昆虫 采集地 ITS序列登录号 Endoconidiophora fujiensis CBS100208* 日本落叶松/落叶松八齿小蠹 日本 AY233948 CMW1952 日本落叶松/落叶松八齿小蠹 日本 AY233924 CXY1506* 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JC762578 CXY1515* 华北落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JC762574 CHY1520* 长白落叶松/落叶松八齿小蠹 中国黑龙江 JC762582 E. laricicola CBS100207* 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 苏格兰 AY233910 CBS109260* 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 奥地利 AY233918 CMW4522 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 苏格兰 AY233908 E. polonica CBS133.38* 欧洲云杉/云杉八齿小蠹 波兰 AY233898 CBS109263* 欧洲云杉/云杉八齿小蠹 奥地利 AY233904 CMW2284 日本鱼鳞云杉Picea jezoensis/云杉八齿小蠹 日本 AY233894 Ophiostoma abietinum CBS125.89 冷杉Abies yabri/平海小蠹Pseudohylesinus swain 墨西哥 AF484453 CHY1555* 长白落叶松/落叶松八齿小蠹 中国黑龙江 JY593322 O. bicolor CBS492.77* 白云杉Picea glauca/白云杉齿小蠢Ips perturbattts 美国 DQ268604 O. cf. bicolor CHY1524* 华北落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JY593321 O. brunneo-ciliatum CHY1416* 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JY593323 CMW5214 落叶松Larix sp. 苏格兰 HM031501 O. deltoideosporum CHY1624* 黑松Pinus thunDergii/松材线虫病 中国山东 JY094069 O. floccosum CMW12622 欧洲赤松Pinus sylvestris 奥地利 FJ430472 CHY1412* 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JY593320 O. ips CMW9005 欧洲赤松/松六齿小蠹Ips acuminatus 瑞典 AY546698 CHY1628* 黑松/松材线虫病 中国山东 JY593324 O. kryptum DAOM 229705* 欧洲落叶松/欧洲落叶松八齿小蠹 奥地利 AY304426 O. minus CMW26254 红脂大小蠢Dendroctonus valens 中国 EU785442 YCC658 日本落叶松/落叶松八齿小蠹 日本 GU134172 O. novo-ulmi CMW1461 英国榆Hlmus pocera 美国 FJ430476 O. olgensis CHY1406? 兴安落叶松/落叶松八齿小蠹 中国内蒙古 JU551301 CHY1411? 长白落叶松/落叶松八齿小蠹 中国黑龙江 JU551304 O. cf. olgensis CHY1642? 马尾松/松材线虫病 中国浙江 JY094074 O. piceae CMW 3099 云杉Picea sp. 加拿大 FJ430484 说明:*表示特异PCR检测所用菌株。 -
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2018.01.017