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兰科Orchidaceae植物是单子叶植物中的第一大科[1]，兰花作为中国“十大名花”之一，誉有“花中四君子”的称号，其中许多种类可作为观赏植物或药用植物加以利用，经济价值较高。在兰花栽培中，常发生多种病害导致其生长及开花品质受到较大的影响，主要有胶胞炭疽菌Colletotrichum glososporioides引起的兰花炭疽病，尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum引起的兰花茎腐病，灰葡萄孢菌Botrytis cinerea引起的兰花灰霉病等[2]。目前，兰花病虫害的防控主要采用化学农药防治，即对病害植物发病部位进行喷施、灌根或涂抹处理，但长期使用化学农药，不仅会造成环境污染，破坏生态平衡，还会导致植物病原菌对化学农药产生抗性，影响防治效果[3]。绿色生物防治是指利用拮抗微生物对病原菌进行防治，有防病抑病和保护环境的双重功效[4]。目前，从植物中分离有益内生真菌用作生物防治已成为一大热点。研究表明：内生真菌不仅能促进植物生长发育，还能提高宿主植物抗逆性[5−6]。兰科植物是典型的内生菌根植物，其根内分布着能促进植株生长发育的菌丝体，两者互利共生是兰科植物能在生态系统中存活并发挥作用的重要因素[7]。有研究已从建兰Cymbidium ensifolium、蕙兰C. faberi、寒兰C. kanran[8−9]、带叶兜兰Paphiopedilum hirsutissimum[10]等多种野生兰科植物中分离获得的内生真菌均对植株表现出促生效应；从野生青天葵Nervilia fordii[11]、野生春兰C. goeringii[12]、铁皮石斛Dendrobium officinale[4]中分离的内生真菌对叶斑病、根腐病、炭疽病等常见植物病害具有良好的拮抗作用。
蕙兰‘红香妃’C. faberi‘Hongxiangfei’原产于四川九寨沟高海拔地区，因其叶片基部呈紫红色且花开红色而得名，拥有典雅的花色和淡雅的花香，深受大众喜爱。但由于人为过度采挖，导致蕙兰‘红香妃’野生资源处于濒危灭绝状态。本研究对蕙兰‘红香妃’内生真菌进行分离鉴定，旨在筛选出能有效控制病害的生防真菌资源，为开发兰花生物肥及绿色生物防治研究提供科学依据。
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蕙兰‘红香妃’取自四川省九寨沟县，春兰‘绿云’C. goeringii‘Green Cloud’来自浙江农林大学花卉栽培与遗传改良实验室。抑菌试验中的指示菌菌株为该实验室保存的兰花茎腐病病原菌(尖孢镰刀菌)、兰花炭疽病病原菌(胶孢炭疽菌)、番茄早疫病病原菌(链格孢菌Alternaria alternata)、草莓根腐病病原菌(三线镰刀菌F. tricinctum)、水稻恶苗病病原菌(藤仓镰孢菌F. fujikuroi)等5种病原菌。
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马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)、马铃薯葡萄糖肉汤培养基(PDB)[6]。
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采用组织分离法分离内生真菌[13]。取蕙兰‘红香妃’新鲜健康根段，先用洗洁精洗去根表面的污垢，并用流水冲洗30 min。将洗净后的根段置于超净工作台，于体积分数为75%乙醇溶液中浸泡30 s，用无菌水漂洗2次，体积分数为2%次氯酸钠溶液表面灭菌5 min，再用无菌水漂洗3~5次；将已表面灭菌的根切成0.5 cm的根段，切面朝向PDA培养基，在28 ℃下恒温培养，每天观察菌丝生长情况。为验证表面灭菌是否彻底，取适量最后一次漂洗组织的无菌水，涂布于PDA培养基上，同等条件培养，观察有无菌落产生。
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对已分离的不同形态的菌落进行梯度稀释纯化[14]。取5个2 mL无菌离心管，依次加入1 000、900、900、900、900 μL无菌水；用无菌牙签刮取适量菌落于1号离心管中，充分摇匀后吸取100 μL至2号离心管中，摇匀后再吸取100 μL至3号离心管中，以此类推，将5管稀释成10、100、1 000、10 000、100 000倍等；每管取50 μL菌落悬浮液均匀涂在PDA培养基上，每个倍数重复3次，在28 ℃恒温培养箱中暗培养5~7 d后，取最边缘的菌落接到新的PDA培养基上培养，多次转接直至菌落呈单一，将纯化的真菌于4 ℃冰箱中保存备用。
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使用5 mm打孔器在已纯化菌饼边缘打孔，将菌饼投入到事先制备好的PDB培养基中。PDB培养基使用500 mL锥形瓶盛装，装液量为200 mL，在180 r·min−1、28 ℃摇床中培养7 d，后用无菌水稀释至1×109 CFU·L−1以备用[15]。
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菌落宏观形态观察：取已纯化的真菌接种于新的PDA培养基上，28 ℃恒温培养7 d后观察菌落颜色、质地、形状等特征。菌落微观形态观察：用无菌牙签挑取微量菌丝于载玻片上染色制成临时装片，于光学显微镜下，观察菌丝体、孢子的大小及形状等显微特征[16]。
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采用CTAB法提取真菌DNA[17]，采用通用引物ITS1 (5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)和ITS4 (5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)进行PCR扩增真菌ITS序列。PCR反应体系(20 μL)：ddH2O 7 μL，ITS1 1 μL，ITS4 1 μL，Easy Taq Mix酶10 μL，DNA模板1 μL。PCR反应程序：94 ℃预变性4 min，94 ℃变性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s，72 ℃延伸10 min，共35个循环。切胶回收目的片段，送擎科生物科技有限公司测序。
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目的序列于美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库(
https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi )进行Nucleotide BLAST比对，选取并下载同源性较高的序列。先用Clustal X软件进行序列比对，再用MEGA 6.0软件中的邻接法(neighbor-joining method)构建系统进化树，其中Bootstrap检验重复次数为1 000次。 -
采用平板对峙法初步筛选出具有拮抗作用的内生真菌。在PDA平板中间位置放置直径为5 mm的指示菌菌饼，离指示菌菌饼上下左右各2 cm处放置相同大小的内生真菌，每个处理3次重复。以5 mm中间只接指示菌为对照，在28 ℃恒温培养箱中培养7 d后，用十字交叉法测量病原菌的菌落直径。计算内生真菌对病原菌的生长抑制率：抑制率=[(对照菌落直径−处理菌落直径)/对照菌落直径]×100%[18]。
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选择胶孢炭疽菌初筛抑菌效果较好的内生真菌，针刺接种病菌于春兰‘绿云’进行活体试验[19]。设定2组：对照组为清水+病原菌(胶孢炭疽菌)；处理组为内生真菌+病原菌(胶孢炭疽菌)。5株为1组，重复3组，用清水和内生真菌发酵液进行灌根和喷施处理30 d，再用病原菌胶孢炭疽菌发酵液进行灌根和喷施处理30 d。病情指数设定为6级，具体分级标准见表1。统计计算病叶率、病情指数、防治效果。病叶率= 病叶数/调查总叶数×100%；病情指数=∑(各级病株数×相对级数值)/(调查总株数×最高级值)×100%；防治效果=(对照病情指数−处理病情指数)/对照病情指数×100%。
表 1 病害程度分级标准
Table 1. Classification standard of disease
病情等级 代表值 病叶数量/片 0 0 0 1 1 1~3 2 3 4~5 3 5 6~7 4 7 8~9 5 9 ≥10 -
数据采用Excel 2010和SPSS 22.0软件的Duncan检验法对各处理组数据进行0.05或0.01水平下的差异显著性分析。
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从来源于四川省九寨沟县的蕙兰‘红香妃’根段培养中共分离出13个真菌菌株，经纯化得到6个真菌菌株，其在PDA培养基上培养10 d后的菌落形态特征如图1所示，根据《真菌鉴定手册》[20]和《病原真菌鉴定》[21]进行形态学初步鉴定。
图 1 蕙兰‘红香妃’根部内生真菌菌株Z1~Z6的菌落形态特征
Figure 1. Colony morphological characteristics of endophytic fungi strains Z1－Z6 from the roots of C. faberi ‘Hongxiangfei’
菌株Z1：菌落大小为3.0~4.8 cm，菌落正面中间浅黄色，边缘白色，背面浅黄色，呈辐射沟纹，菌落质地绒毡状，边缘整齐。菌丝有隔膜，孢子柠檬形或近球形，两端突起，两侧平滑，大小为(3.9~8.4) μm×(5.0~6.5) μm。
菌株Z2：菌落大小为4.8~7.7 cm，正面白色，背面黄色，菌落质地棉絮状，一侧菌丝生长较多，边缘全缘。气生菌丝丰富，菌丝有隔膜，大型分生孢子镰刀形，多数为3个分隔，大小为(12.9~22.5) μm×(3.6~6.5) μm；小型分生孢子椭圆形或卵圆形，0~1个分隔，大小约为(4.8~12.7) μm×(2.5~5.8) μm。
菌株Z3：菌落大小为5.4~7.2 cm，正面白色，背面中间淡黄色边缘白色，菌落质地绒毡状，菌落形状圆形，边缘整齐。菌丝有隔，内含物颗粒多。孢子卵形或柠檬形，两端稍尖，大小为(4.2~7.5) μm×(4.0~6.5) μm。
菌株Z4：菌落大小为7.1~7.8 cm，正面灰色，背面中间深灰色，外圈由淡黄色至白色，菌落质地绒毡状，菌落形状接近圆形，边缘整齐。菌丝有隔，子囊具有8个子囊孢子，簇生，呈棍棒状。孢子呈褐色，卵圆形或柠檬形，两端突起，两侧平滑，大小为(8.2~11.2) μm×(5.1~8.6) μm。
菌株Z5：菌落大小为3.5~5.4 cm，正面烟灰色，背面中间深褐色，菌落质地绒毡状，菌落形状圆形，边缘整齐。菌丝有隔膜，孢子柠檬形，幼时无色，成熟后呈褐色或橄榄色，大小为(5.6~8.5) μm×(3.8~6.7) μm。
菌株Z6：菌落大小为3.2~4.6 cm，正面深灰色至烟灰色，背面淡黄色至浅灰色，菌落质地绒毛状，边缘不规则。菌丝有隔膜，子囊具有8个子囊孢子，呈椭圆形。孢子卵形，大小为(4.5~9.6) μm×(5.2~8.4) μm。
结合菌落与菌丝、孢子形态进行形态学初步鉴定可知：菌株Z1、Z3、Z4、Z5与毛壳属Chaetomium 特征相似，初步推断这4株菌株为毛壳属真菌；菌株Z2与镰刀属Fusarium 描述相似，推测菌株Z2为镰刀属真菌；菌株Z6初步判断为赛多孢属Scedosporium 真菌。需结合分子鉴定确定到种。
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序列于NCBI数据库中进行BLAST比对，选取相似度最高序列，构建进化树(图2)。由系统发育树结果可知：菌株Z1与旋丝毛壳菌Collariella bostychodes (MK419025.1)亲缘关系最近，同源率为99%；菌株Z2与腐皮镰刀菌F. solani (FJ874633.1)亲缘关系最近，同源率为99%；菌株Z3与蝇生二叉毛壳菌D. funicola (KR909159.1)位于同一分支，同源率为100%；菌株Z4与球毛壳菌C. globosum (MT341778.1)位于同一分支，同源率为100%；菌株Z5与粪闭毛壳菌C. fimeti (MH001466.1)亲缘关系最近，同源率为100%；菌株Z6与波氏假阿利什霉Pseudallescheria boydii (AY213683.1)位于同一分支，同源率为100%。菌株Z1、Z3、Z4、Z5在系统发育树中聚为一个大分支，同属于毛壳属真菌。
图 2 基于菌株及其相似真菌的rDNA ITS序列构建的系统发育树
Figure 2. Phylogenetic tree based on rDNA ITS sequences of mycorrhizal fungi and similar fungi
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由图3和图4可知：6株内生真菌对5株病原菌的生长均具有一定的抑制作用，其中菌株Z2和Z3菌丝生长速度较快，对尖孢镰刀菌和藤仓镰孢菌的抑制效果显著优于其他菌株(P＜0.05)，而两者之间无显著差异；菌株Z3对胶孢炭疽菌的抑制效果较其他菌株存在显著性差异(P＜0.05)；菌株Z2和Z3对链格孢菌的抑制效果显著优于其他菌株(P＜0.05)；菌株Z2、Z3和Z4较其他菌株对三线镰刀菌的抑制效果显著(P＜0.05)，且三者之间无显著差异。综上，菌株Z2和Z3具有较大的生防潜力，可用于田间防控验证。
图 3 菌株Z1~Z6对5种主要病原真菌的拮抗抑制率
Figure 3. Antagonistic inhibition of Z1－Z6 against five pathogen fungi
图 4 菌株Z1~Z6对5种主要病原真菌的拮抗效果
Figure 4. Antagonistic effects of Z1－Z6 against five pathogen fungi
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浇灌和喷施炭疽病菌后，春兰‘绿云’发病初期，叶片上呈现圆形、椭圆型红褐色小斑点，后期扩大成深褐色病斑。经重分离鉴定确认：该病害为胶孢炭疽菌所引起。由表2可知：P2组病斑明显少于对照组，且病叶率和病情指数极显著低于对照组(P＜0.01)，菌株Z3蝇生二叉毛壳菌对胶孢炭疽菌防治效果达41.41%，表明菌株Z3蝇生二叉毛壳菌对炭疽病菌具有一定的抑菌作用。
表 2 Z3菌株对春兰‘绿云’炭疽病的防治效果
Table 2. Control effect of Z3 strain on C. gloeosporioides of C. goeringii ‘Green Cloud’
处理 病叶率/% 病情指数 防治效果/% 对照组 26.43 17.53 ± 2.61 a 处理组 14.81 10.27 ± 2.17 b 41.41 说明：病情指数中“±”后为标准差；同列不同小写字母表示差异极显著(P＜0.01)。 -
近年来，在园艺植物栽培中，生物防治作为一种环境友好型防治手段，越来越受到人们的关注。生防菌主要通过产生活性物质、重寄生或竞争营养来抑制病原微生物的生长及危害[2]。据研究报道：引起兰花茎腐病的病原菌为镰刀菌，镰刀属真菌多为土传类病原菌，主要侵染植物根茎部，导致根腐、茎腐、枯萎等[22]。镰刀属真菌虽被广泛认为是引起病害的主要致病菌[23−24]，但会以致病菌或非致病菌的形式与兰花共生[25]，而非致病性镰刀属真菌通常会以分解者或共生者的身份与兰花共生[26]，有益于兰花的生长发育[27]。本研究从蕙兰‘红香妃’根部分离、纯化、鉴定出6株内生真菌，其中4株属于毛壳属，1株属于镰刀属，另1株属于赛多孢属；同时其与5株植物病原指示菌进行对峙培养发现：6株内生真菌对5株病原菌均有抑制效果，其中腐皮镰刀菌对尖孢镰刀菌抑制效果最佳，说明腐皮镰刀菌可能与蕙兰‘红香妃’建立共生关系，并有益于其生长和抗病性。李梅蓉等[4]发现：镰刀菌对铁皮石斛圆斑病具有良好的抑制作用。陈大为等[28]在对黄瓜Cucumis sativus白粉病的研究中也验证了腐皮镰刀菌可增强黄瓜植株抗性，抑制白粉病发病率。
炭疽病是园艺作物中寄主十分广泛的一种病害，引起兰花炭疽病的病原菌是炭疽菌属Colletotrichum spp.真菌，主要危害植物叶片，导致叶枯，其中胶孢炭疽菌是最为常见的病原菌[29−30]。本研究从蕙兰‘红香妃’中分离得到的蝇生二叉毛壳菌，对胶孢炭疽菌抑制效果显著。而毛壳属是极具生防潜力的真菌，在防治植物病害方面尤为突出[31−32]。PHONG等[33]探究了毛壳属真菌对茶树Camellia sinensis枯萎病的防治效果，发现毛壳属真菌均能显著抑制枯萎病菌菌丝的生长和产孢。SONG等[34]发现：毛壳属真菌对水稻Oryza sativa稻瘟病病菌具有拮抗作用。徐姣等[35]将5种人参Panax ginseng内生真菌与6种人参病原菌进行拮抗试验，发现毛壳属菌株对人参病害的抗菌谱较广，说明毛壳属真菌对植物不同病原菌均存在一定的拮抗作用，且同属不同种真菌发挥作用因寄主而异。为进一步验证抑菌效果，本研究选择菌株Z3蝇生二叉毛壳菌对春兰‘绿云’开展活体植株试验。结果表明：处理组病叶率、病情指数均极显著低于对照组，说明菌株Z3蝇生二叉毛壳菌具有较优的抑菌效果，有望开发为兰科植物生防菌，为兰科植物栽培及绿色生防提供科学依据。
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本研究通过对四川省九寨沟县健康的蕙兰‘红香妃’根部内生真菌进行分离纯化、形态学鉴定及构建系统发育树等，确定内生真菌共6株。对峙试验明确6株内生真菌的抑菌谱较广，其中菌株Z2 (F. solani)和菌株Z3 (D. funicola)对5株病原菌均具有显著的抑制效果，具有生防潜力；通过菌株Z3对春兰‘绿云’活体植株进行浇灌喷施试验，证实菌株Z3具有一定的生防功效，但其抑菌相关机制有待进一步研究。
Isolation and identification of endophytic fungi from Cymbidium faberi ‘Hongxiangfei’ and their bacteriostatic effect in vitro
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摘要:
目的 从蕙兰‘红香妃’Cymbidium faberi ‘Hongxiangfei’中筛选获得兰科Orchidaceae植物病害生防菌，为蕙兰菌根化栽培及绿色生物防治提供科学依据。 方法 通过蕙兰‘红香妃’健康根段培养、分离、纯化、鉴定内生真菌；以5株常见植物病原菌为指示菌，通过平板对峙培养法筛选出生物防治效果最优的内生真菌，并用活体接种法验证其抑菌效果。 结果 在蕙兰‘红香妃’健康植株根段培养中共分离筛选出6株内生真菌，经鉴定4株属于毛壳属Chaetomium spp.，1株属于镰刀属Fusarium spp.，另1株属于赛多孢属Scedosporium spp.。在平板对峙培养中发现：6株内生真菌对5株病原菌均具有一定的抑菌效果，其中Z2菌株腐皮镰刀菌Fusarium solani对兰花茎腐病致病菌——尖孢镰刀菌 F. oxysporum的抑制效果明显，抑制率为67.51%；Z3菌株蝇生二叉毛壳菌Dichotomopilus funicola对兰花炭疽病致病菌——胶孢炭疽菌Colletotrichum gloeosporioides的抑制率达68.56%。活体接种研究表明：经Z3菌株处理，春兰‘绿云’ C. goeringii ‘Green Cloud’的病叶率、病情指数极显著(P＜0.01)低于对照。 结论 Z3菌株是筛选出的防治兰科植物病害的优势拮抗生物防治菌。图4表2参35 Abstract:Objective The objective is to screen and obtain the biocontrol fungi against orchid plant diseases from Cymbidium faberi ‘Hongxiangfei’ , so as to provide scientific basis for mycorrhizal cultivation and green biological control of C. faberi. Method The endophytic fungi were isolated, purified and identified from the healthy root segments of C. faberi ‘Hongxiangfei’ . With 5 common plant pathogens as indicator fungi, the endophytic fungi with the best biocontrol effect were screened by plate confrontation culture method, and their bacteriostatic effect was verified by in vivo inoculation. Result 6 endophytic fungi were isolated from the root segment culture of healthy plants of C. faberi ‘Hongxiangfei’ , and 4 strains belonged to Chaetomium spp., 1 strain belonged to Fusarium spp. and 1 belonged to Scedosporium spp. It was found in the plate confrontation culture that all 6 endophytic fungi had certain inhibitory effect on 5 pathogenic strains, among which Z2 strain (Fusarium solani) had an obvious inhibitory effect on F. oxysporum (the causative agent of orchid stem rot), with an inhibition rate of 67.51%. The inhibition rate of Z3 strain (Dichotomopilus funicola) against Colletotrichum gloeosporioides (the pathogen of orchid anthracnose) was 68.56%. The in vivo inoculation test of Cymbidium goeringii ‘Green Cloud’ showed that the rate of diseased leaves and disease index of the experimental group treated with Z3 strain were significantly lower than those of the control group (P＜0.01). Conclusion Z3 is selected as the dominant antagonistic biocontrol strains against orchid diseases. [Ch, 4 fig. 2 tab. 35 ref.] -
Key words:
- Cymbidium faberi ‘Hongxiangfei’ /
- endophytic fungi /
- Chaetomium spp. /
- Fusarium spp. /
- bacteriostatic
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叶绿体是细胞中具有独立基因组的细胞器，其结构简单、分子量相对较小、进化速率较慢、具有良好的保守性，在物种鉴定和系统发育分析中得到了广泛的应用[1]。在大多数植物中，叶绿体基因组的突出特征是存在1个大的倒置重复序列区(IR)，IR被1个大单拷贝区(LSC)和1个小单拷贝区(SSC)隔开，叶绿体DNA大小变化大多可以通过IR区域长度的变化来解释[2−3]。目前，叶绿体基因组已广泛应用于苔藓植物的系统发育研究中[4−5]。与核基因组和线粒体基因组相比，叶绿体基因组结构简单且保守，全序列易获得，相对于多片段研究也有更好的解析[6−7]。
新绒苔Neotrichocolea bissetii隶属于新绒苔属 Neotrichocolea，该属仅包含新绒苔1种，为东亚特有属。新绒苔植物体绒毛状，深绿色或黄绿色，有光泽；茎匍匐或倾斜，3至4回羽状分枝，长达10 cm；通常生长在潮湿的石头上或林下溪边的潮湿土壤上，偶见于腐木；主要分布在中国、日本[8]和朝鲜半岛[9]。依据中国苔藓植物濒危等级的评估原则，该种在整个分布区范围内种群变化不详，在黄山已被证实种群数量急剧减少，目前被列为易危物种(VU)[10]，该种也被《世界自然保护联盟濒危物种红色名录》列为易危物种。
早期基于形态学的研究，新绒苔被分别放在毛叶苔科Ptilidiaceae[11]或新绒苔科Neotrichocoleaceae[12]。LIU等[13]基于基因片段分析，深入研究了新绒苔属和囊绒苔属Trichocoleopsis的系统发育关系及分类位置，研究结果支持新绒苔放置在新绒苔科，但需要注意的是，其系统进化树中的分支支持率并不高。最新的苔藓植物系统发育研究中均未包含新绒苔的叶绿体基因组数据。鉴于叶绿体基因组信息更系统全面，本研究将基于叶绿体基因组数据，进一步明确新绒苔的系统位置。
本研究利用新一代测序技术(NGS)对新绒苔进行测序，通过组装和注释获得完整的叶绿体基因组序列，分析了新绒苔基因组的序列特征，并结合17种已发表的苔藓植物序列构建了系统发育树，明确了新绒苔的系统位置，为新绒苔的物种鉴定、资源保护和系统进化研究提供了科学依据。
1. 材料与方法
1.1 植物材料及DNA提取、测序
新绒苔标本采集于安徽黄山(30°14′N，118°16′E)，凭证标本(20220715-76A)经硅胶干燥后保存于安徽师范大学生命科学学院植物标本馆。使用改良十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)法提取和纯化叶片组织的总DNA[14]。通过琼脂糖凝胶电泳和分光光度法测定DNA产物的质量和浓度。所有合格的DNA样本送往中国西南野生生物种质资源库分子生物学实验中心进行建库和测序。
1.2 基因组组装和注释
使用SOAPnuke Toolkit v.1.3.0[15]过滤原始序列(raw reads)获得高质量序列(clean reads)用于后续分析。通过GetOrganelle v1.7[16]组装叶绿体基因组。将组装结果导入Bandage v.8.1[17]中可视化叶绿体基因组结构，去除低覆盖率的低质量片段，得到单倍体叶绿体的全基因组环结构。使用在线工具CPGAVAS2进行注释[18]。用在线程序Organellar Genome DRAW绘制叶绿体的全基因组物理图谱[19]。
1.3 重复序列分析
使用在线程序MIcroSAtellite对新绒苔叶绿体中的简单重复序列(SSR)进行分析[20]。采用CodonW软件[21]分析密码子的使用情况。使用REPuter在线网站[22]分析叶绿体基因组序列，共检测到4种类型的长重复序列：正向重复、反向重复、回文重复和互补重复。
1.4 叶绿体基因组特征和边界比较分析
利用新测序的新绒苔、囊绒苔T. sacculata与美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库中公布的5种苔藓植物(登录号分别为NC_010359、NC_019628、NC_019628、NC_043786、NC_043789)的叶绿体基因组序列进行比较，分析叶绿体基因组的总基因数、GC含量、LSC、SSC和IR。利用在线工具IRscope可视化叶绿体基因组的LSC/IR/SSC边界变化[23]。
1.5 系统发育分析
基于苔藓植物系统发育纲要[4]和YU等[5]的研究，以爪哇裸蒴苔Haplomitrium blumei (NC_043789)为外类群，基于新绒苔、囊绒苔和NCBI数据库下载已公布的17种苔藓植物(表1)的叶绿体基因组序列构建系统发育树。这17种苔藓植物均属于叶苔纲Jungermanniopsida，包含了其下的3个亚纲代表类群：叉苔亚纲Metzgeriidae的绿片苔Aneura pinguis和A. mirabilis，溪苔亚纲Pelliidae的异溪苔Pellia endiviifolia，其余14种为叶苔亚纲Jungermanniidae。
表 1 17种苔藓植物样本信息Table 1 Information of 17 samples of bryophytes物种 GenBank 登录号 物种 GenBank 登录号 Aneura mirabilis NC_010359 四齿异萼苔Heteroscyphus argutus NC_043788 绿片苔Aneura pinguis NC_035617 毛耳苔Jubula hutchinsiae NC_043782 东亚鞭苔Bazzania praerupta NC_043785 异溪苔Pellia endiviifolia NC_019628 护蒴苔Calypogeia fissa NC_043757 中华羽苔Plagiochila chinensis NC_043784 白鳞苔Cheilolejeunea xanthocarpa NC_043777 毛边光萼苔Porella perrottetiana NC_043780 狭瓣疣鳞苔Cololejeunea lanciloba NC_043778 深裂毛叶苔Ptilidium pulcherrimum NC_015402 厚角耳叶苔Frullania nodulosa NC_043783 日本扁萼苔Radula japonica NC_043781 全萼苔Gymnomitrion concinnatum NC_040133 刺边合叶苔Scapania ciliata NC_043786 爪哇裸蒴苔Haplomitrium blumei NC_043789 利用MAFFT程序对新绒苔和其他苔藓植物的叶绿体基因组进行全基因组比较[24−25]。使用PhyloSuite v.1.2.2[26]的ModelFinder插件分别计算最大似然(ML)和贝叶斯推断(BI)树模型。ML树和BI树分别使用RAxML v.7.2.8[27]和MrBayes v.3.1.2[28]构建。
2. 结果与分析
2.1 叶绿体基因组结构和基因特点
新绒苔叶绿体基因组为典型的四分体结构，总长度为118 423 bp，其中包括1对IR (9 031 bp)、1个LSC (80 837 bp)和1个SSC (19 524 bp)(图1)。全基因组GC含量为33.3%，IR的GC含量(47.0%)高于SSC (31.2%)和LSC (29.3%)。新绒苔叶绿体基因组序列共编码132个基因，其中蛋白编码基因87个，rRNA基因8个，tRNA基因37个。
按照基因功能，主要分为光合作用、转录和未知功能基因，未发现转录起始因子infA。叶绿体基因内含子分析显示：10个基因含有内含子，clpP蛋白编码基因含有2个内含子(表2)。
表 2 新绒苔叶绿体基因组编码的基因Table 2 Genes encoded by the chloroplast genome of N. bissetii基因类别 基因功能 基因名称 光合作用 ATP合酶亚基 atpA, atpB, atpE, atpH, atpI 光系统Ⅰ psaA, psaB, psaC, psaJ 光系统Ⅱ psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psbL, psbN, psbT, psbZ, ycf3 NADH-脱氢酶亚基 ndhA*, ndhB*, ndhC, ndhD, ndhE, ndhF, ndhH, ndhI, ndhJ, ndhK 细胞色素复合物b/f亚基 petA, petB *, petD, petG Rubisco酶亚基 rbcL 复制基因 核糖体大亚基 rpl14, rpl16, rpl2*, rpl20, rpl22, rpl33, rpl36 DNA依赖核酸聚合酶 rpoA, rpoB, rpoC1*, rpoC2 核糖体小亚基 rps12*, rps19, rps2, rps3, rps4, rps8 核糖体RNA基因 rrn16S (×2), rrn23S (×2), rrn4.5S (×2), rrn5S (×2) 转运RNA基因 trnA-UGC (×2)*, trnC-GCA, trnD-GUC, trnE-UUC, trnE-UUC (×2)*, trnF-GAA, trnG-GCC (×2)*, trnH-GUG, trnK-UUU (×2)*, trnL-CAA, trnL-UAA*, trnL-UAG, trnM-CAU (×2), trnN-GUU (×2), trnP-UGG, trnQ-UUG, trnR-ACG (×2), trnR-UCU, trnS-GCU, trnS-GGA, trnS-UGA, trnT-CGU*, trnT-GGU, trnT-UGU, trnV-GAC (×2), trnW-CCA, trnY-GUA 其他基因 乙酰辅酶A羧化酶亚基
c型细胞色素合成基因accD
ccsA蛋白酶
包裹膜蛋白
成熟酶clpP**
cemA
matK保守开放性阅读框 ycf1，ycf2 (×2)，ycf66 说明：*和**标记的分别为含有单内含子和双内含子的基因。位于IR的重复基因标记为(×2)。 2.2 重复序列分析
新绒苔叶绿体基因组共检测到56个SSR，包括21个单核苷酸重复序列、20个二核苷酸重复序列、9个三核苷酸重复序列、5个四核苷酸重复序列和1个五核苷酸重复序列。SSR最丰富的类型是单核苷酸重复序列，单核苷酸重复序列以A和T碱基为主。此外，A/T、AT/AT和AAAT/ATTT重复序列占66.07%，说明新绒苔的SSR偏好使用A和T碱基(图2)。
通过分析新绒苔的长重复序列，在叶绿体基因组中鉴定出35个重复序列，其中正向重复6个，回文重复28个，反向重复1个。与NCBI数据库中的毛边光萼苔、毛耳苔、厚角耳叶苔、细光萼苔Porella gracillima (NC_082430)、巨瓣光萼苔Porella grandiloba (NC_072065)在重复数和重复类型上存在差异。新绒苔、毛边光萼苔和厚角耳叶苔未检测到互补重复序列，其余均含有4个重复序列。除巨瓣光萼苔外，其他6种植物重复序列中，回文重复比例最高(图3)。
2.3 密码子偏好性分析
新绒苔叶绿体基因组中共发现39 474个编码密码子，其中编码亮氨酸的密码子最多，共有4 136个；编码色氨酸的密码子最少，共有475个。64种密码子共编码20种氨基酸，终止密码子为UAA、UAG和UGA。对该叶绿体基因组的相对同义密码子使用度(RSCU)进行分析，RSCU≥1.00的密码子有33个，以A/U结尾的高频密码子28个，以C/G结尾的密码子5个。此外，新绒苔叶绿体基因组偏好密码子多以A/U结尾，与GC含量较低的基因组一致(表3)。
表 3 新绒苔叶绿体基因组密码子使用分析Table 3 Analysis of chloroplast genome codon usage in N. bissetii氨基酸 密码子 数量 RSCU 氨基酸 密码子 数量 RSCU 氨基酸 密码子 数量 RSCU 氨基酸 密码子 数量 RSCU Phe UUU 2166 1.36 Tyr UAU 1379 1.42 Glu GAG 411 0.62 Ala GCC 177 0.69 Phe UUC 1027 0.64 Tyr UAC 566 0.58 Ser UCU 637 1.21 Ala GCA 307 1.20 Leu UUA 1196 1.74 Ter UAA 1299 1.47 Ser UCC 496 0.94 Ala GCG 167 0.65 Leu UUG 834 1.21 Ter UAG 608 0.69 Ser UCA 650 1.23 Cys UGU 470 1.14 Leu CUU 746 1.08 Ter UGA 739 0.84 Ser UCG 443 0.84 Cys UGC 353 0.86 Leu CUC 422 0.61 His CAU 644 1.40 Ser AGU 495 0.94 Trp UGG 475 1.00 Leu CUA 571 0.83 His CAC 277 0.60 Ser AGC 437 0.83 Arg CGU 269 0.75 Leu CUG 367 0.53 Gln CAA 799 1.32 Pro CCU 383 1.12 Arg CGC 146 0.41 Ile AUU 1626 1.36 Gln CAG 410 0.68 Pro CCC 314 0.92 Arg CGA 395 1.11 Ile AUC 686 0.58 Asn AAU 1627 1.42 Pro CCA 470 1.38 Arg CGG 204 0.57 Ile AUA 1264 1.06 Asn AAC 658 0.58 Pro CCG 196 0.58 Arg AGA 720 2.02 Met AUG 609 1.00 Lys AAA 2099 1.46 Thr ACU 490 1.16 Arg AGG 404 1.13 Val GUU 626 1.45 Lys AAG 782 0.54 Thr ACC 425 1.01 Gly GGU 411 1.13 Val GUC 250 0.58 Asp GAU 641 1.43 Thr ACA 475 1.13 Gly GGC 207 0.57 Val GUA 558 1.30 Asp GAC 257 0.57 Thr ACG 293 0.70 Gly GGA 526 1.44 Val GUG 288 0.67 Glu GAA 917 1.38 Ala GCU 374 1.46 Gly GGG 316 0.87 2.4 IR边界的收缩和扩张分析
对新绒苔等7种苔藓植物叶绿体基因组的IR边界收缩扩张进行分析(图4)，结果表明：7种苔藓植物的叶绿体基因组长度从Aneura mirabilis的108 007 bp到爪哇裸蒴苔的128 728 bp不等。IR长度为16 480~21 856 bp，LSC长度为77 553~88 291 bp，SSC长度为13 974~19 854 bp。trnV、trnL、ndhF、16S、chlL是位于IR边界附近的主要基因。在这7个物种中，rps12、rpl23和trnL基因均位于LSC，trnV基因位于IRa。除爪哇裸蒴苔外，其余物种LSC与IRb之间的连接位点(JSB)的边界基因均为ndhF。新绒苔、囊绒苔、A. mirabilis、异溪苔、爪哇裸蒴苔在叶绿体基因组中IRa与LSC之间的连接位点(JLA)边界未注释到16S基因。新绒苔和囊绒苔在叶绿体基因组中LSC与IRb之间的连接位点(JLB)边界附近缺失trnL基因，明显有别于其他5个物种。
2.5 系统发育分析
基于19种苔藓植物叶绿体基因组构建的BI树和ML树在拓扑结构上一致，各分支节点的支持率大部分为100%，可靠性较高。从系统发育树(图5)上看，叉苔亚纲的绿片苔和A. mirabilis最先分离出来，接着是溪苔亚纲的异溪苔，叶苔亚纲的14个种形成一支，内部包括2个姐妹分支：一支是广义叶苔目Jungermanniales s.l.，包括东亚鞭苔、护蒴苔、全萼苔、四齿异萼苔、中华羽苔和刺边合叶苔；另一支是广义光萼苔目Porellales s.l.和毛叶苔目Ptilidiales，前者包括白鳞苔、狭瓣疣鳞苔、厚角耳叶苔、毛耳苔、毛边光萼苔和日本扁萼苔，后者包括深裂毛叶苔、囊绒苔和新绒苔。新绒苔和囊绒苔形成1支，与深裂毛叶苔形成姐妹支，支持率为100%，说明其亲缘关系最密切。
图 5 基于19种苔藓植物叶绿体基因组序列构建的系统发育树Figure 5 Phylogenetic tree based on chloroplast genome sequences of 19 bryophytes3. 讨论
新绒苔作为东亚特有的濒危苔藓植物，本研究首次对其叶绿体基因组进行测序、组装和分析。新绒苔叶绿体基因组总长度为118 423 bp，呈现典型的环状四分体结构，GC含量为33.3%，共编码了132个基因，与细光萼苔、巨瓣光萼苔、厚角耳叶苔、毛耳苔、尖瓣合叶苔Scapania ampliata植物叶绿体基因组特征相似[5, 29]，表明苔藓植物叶绿体基因组进化相对保守。
SSR技术具有简便、快速、稳定性高和等位基因多样性高等特点，在基因组研究中，已经作为主要的分子标记技术广泛应用于比较基因组研究和系统学研究等领域[30]。重复序列分析显示：新绒苔叶绿体基因组有56个SSR，最丰富的类型是单核苷酸重复序列，单核苷酸重复序列以 A和T碱基为主。这与许多其他藓类植物物种报道的结果一致[7]。
植物在进化过程中，密码子的使用会受到自然选择、碱基突变、遗传漂变等因素的影响而产生偏好性[31]。植物叶绿体基因的RSCU可以确定密码子偏好性，RSCU≥1.00的密码子为高频率密码子，RSCU＜1.00，则表示该密码子较少使用[32]。新绒苔 RSCU≥1.00的密码子有33个，其中以A、U结尾的密码子占84.8%，说明偏好以A、U结尾。与张家榕等[33]对18 种苔藓植物rbcL基因的密码子偏好分析结果相同。
IR和SSC边界的扩张和收缩导致相关基因拷贝数变化或边界区域假基因产生，这是叶绿体基因组进化过程中都存在的现象，也是其长度变化的主要原因[34]。本研究中，位于IR边界的基因包括trnV、trnL、ndhF、16S和chlL，且所有物种的IRb与SSC之间的连接位点均在ndhF基因内，且新绒苔的IR边界相对保守，只有极个别基因出现了缺失，如在JLB边界附近缺失trnL基因。新绒苔与囊绒苔同属于新绒苔科，叶绿体基因组特征和边界比较分析表明：除trnM基因外，其余基因位置一致，说明新绒苔与囊绒苔亲缘关系较近；二者在IRb均不含trnL基因，区别于其他目植物，说明二者与其余物种亲缘关系较远[35]。
本研究利用19种苔藓植物叶绿体基因组构建的系统发育树与近期研究一致[4-5, 36]，支持了新绒苔科(包括新绒苔属和囊绒苔属)的成立，新绒苔科与毛叶苔科共同构成毛叶苔目，并与广义光萼苔目形成姐妹关系。
4. 结论
新绒苔的叶绿体基因组为典型的四分体结构，叶绿体全基因组序列全长为118 423 bp，包含79个蛋白质编码基因，8个rRNA和36个tRNA，系统发育分析显示新绒苔属和囊绒苔属为姐妹关系，共同构成了新绒苔科。本研究丰富了新绒苔属分子生物学资源，研究结果可为新绒苔及其近缘种的物种鉴定、资源保护和系统进化提供理论参考。
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图 1 蕙兰‘红香妃’根部内生真菌菌株Z1~Z6的菌落形态特征
Figure 1 Colony morphological characteristics of endophytic fungi strains Z1－Z6 from the roots of C. faberi ‘Hongxiangfei’
图 2 基于菌株及其相似真菌的rDNA ITS序列构建的系统发育树
Figure 2 Phylogenetic tree based on rDNA ITS sequences of mycorrhizal fungi and similar fungi
图 3 菌株Z1~Z6对5种主要病原真菌的拮抗抑制率
Figure 3 Antagonistic inhibition of Z1－Z6 against five pathogen fungi
图 4 菌株Z1~Z6对5种主要病原真菌的拮抗效果
Figure 4 Antagonistic effects of Z1－Z6 against five pathogen fungi
表 1 病害程度分级标准
Table 1. Classification standard of disease
病情等级 代表值 病叶数量/片 0 0 0 1 1 1~3 2 3 4~5 3 5 6~7 4 7 8~9 5 9 ≥10 
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表 2 Z3菌株对春兰‘绿云’炭疽病的防治效果
Table 2. Control effect of Z3 strain on C. gloeosporioides of C. goeringii ‘Green Cloud’
处理 病叶率/% 病情指数 防治效果/% 对照组 26.43 17.53 ± 2.61 a 处理组 14.81 10.27 ± 2.17 b 41.41 说明：病情指数中“±”后为标准差；同列不同小写字母表示差异极显著(P＜0.01)。
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20220578
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