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项目文章(IF=18.9) | 中科院微生所仲乃琴团队在马铃薯疮痂病偏向新突破

宣布时间 2024-01-25

马铃薯作为天下第四大粮食作物，在包管人类粮食供应稳固方面施展着主要作用。然而，由致病性链霉菌(Streptomyces)引起的马铃薯通俗疮痂病(common scab, CS)在全球规模内均有爆发，且危害逐年增添。

克日，中国科学院微生物研究所仲乃琴研究团队在Science Bulletin期刊揭晓文章"Phosphorus accumulation aggravates potato common scab and to be controlled by phosphorus-solubilizing bacteria"，本研究发明磷肥施用量与疮痂病危害水平高度相关。磷素在土壤中大宗沉积不但诱发致病性链霉菌的快速滋生，也显著降低了拮抗菌的品貌和拮抗功效。本研究beat365正版唯一官网生物提供发明代谢组学（现已升级为新一代代谢组学NGM）手艺效劳。

项目文章(IF=18.9) | 中科院微生所仲乃琴团队在马铃薯疮痂病偏向新突破(图1)

已有研究批注，马铃薯CS病可能受到包括外源施肥在内的植物矿质养分的影响，氮、磷、钙、铁等宏微量元素在土壤或植物组织中的含量差别，影响CS的严重水平。磷是所有作物生长发育所必需的营养元素，通常通过施用磷肥来供应。由于土壤胶体对磷具有较强的吸赞许牢靠作用，大大都磷肥（磷酸一铵和磷酸二铵）与土壤中的Ca²⁺、fe²⁺、fe³⁺和Al³⁺团结形成不溶性磷酸盐，包括Ca₃(PO₄)₂。本研究首次发明Ca₃(PO₄)₂能增进疮痂链霉菌(S. scabies)的生长和滋生。病原菌在生长历程中爆发有机酸，有机酸释放的质子与Ca₃(PO₄)₂团结形成(HPO₄)²^-，能增进S. scabies的生长。本研究进一步筛选了一种具有有用溶磷功效的拮抗细菌，以有用防治马铃薯CS。

研究思绪

项目文章(IF=18.9) | 中科院微生所仲乃琴团队在马铃薯疮痂病偏向新突破(图2)

研究效果

1、田间试验

本研究于2020-2021年在广东省惠东(HD)和2021年在内蒙古自治区海拉尔(HLE)两个主要马铃薯品种（Favorita和Qingshu）上举行田间试验，研究土壤磷含量对CS发育的影响。发明发病率和指数与磷浓度呈正相关，与低磷肥(LP)或中磷肥(MP)相比，高磷肥(HP)提高了CS的发病率和指数。与此一致的是，由S. scabies效应基因txtA基因的DNA水平所批注的S. scabies在土壤中的相对品貌在HP中也高于LP（图1）。这些效果批注，磷肥用量与田间CS的爆发呈正相关。

2、作育基实验

鉴于磷肥能够增进田间CS的爆发，在作育基（初始pH7.0）中添加种种类型的磷化学因素以支持S. scabies生长来进一步探索哪些磷酸盐状态有助于这一效果。发明在一定水平上H₂PO₄可增进S. scabies的生长，而过量的H₂PO₄对S. scabies的生长没有利益。而(HPO₄)²^-容易被S. scabies吸收使用，可一连增进S. scabies的生长。不溶性Ca₃(PO₄)₂可增进S. scabies快速生长和滋生，而K₃PO₄的效果不像Ca₃(PO₄)₂那样显着（图1 b）。

使用扫描电镜视察S. scabies的生长情形。发明在没有Ca₃(PO₄)₂的情形下，第1天只有少数S. scabies孢子萌发形成气生菌丝，而在2.5 g/L Ca₃(PO₄)₂的情形下，所有孢子都形成了菌丝。在Ca₃(PO₄)₂浓度为5 g/L的条件下，气生菌丝爆发分支，批注Ca₃(PO₄)₂增进了S. scabies孢子萌发和菌丝生长（图1 c）。在第3天，2.5 g/L Ca₃(PO₄)₂增进菌丝生长和滋生，菌丝强度显著提高。当Ca₃(PO₄)₂增添到5 g/L时，大宗新孢子形成。综上所述，Ca₃(PO₄)₂增进S. scabies的快速生长和滋生。田间试验效果也批注，随着Ca₃(PO₄)₂的增添，CS严重水平显著加重（图1 d）。

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图1.高磷肥的施用增添了马铃薯CS病的严重水平

3、Ca₃(PO₄)₂增进S. scabies生长和滋生的机制研究

为了进一步展现Ca₃(PO₄)₂增进S. scabies生长和滋生的机制，本研究对作育基的pH和代谢产品举行了剖析。确定S. scabies生长的最佳初始pH值为7.0（图1 e），添加Ca₃(PO₄)₂ （2.5 g/L或5 g/L）后，作育基酸化，36h后pH降至6.0以下（图1 f，左图）。通过高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)对代谢产品剖析批注，与不含Ca₃(PO₄)₂的作育基相比，含Ca₃(PO₄)₂的作育基中丙酮酸、吡咯-2羧酸、L-亮氨酸和对苯甲酸等有机酸水平升高（图1 f，右图），推测这些有机酸是否将H+付与Ca₃(PO₄)₂并天生(HPO₄)²^-增进S. scabies孢子萌发和菌丝生长。为了验证这一假设，本研究使用x射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)剖析作育基中的磷酸盐含量，发明在含有Ca₃(PO₄)₂但不含S. scabies的作育基中，Ca₃(PO₄)₂和(PO₄)^3-被检测到。而接种S. scabies使主要磷酸盐变为(HPO₄)²^-（图1 g）。同时，含有Ca₃(PO₄)₂的作育基中S. scabies孢子的萌发数目高于含有CaHPO₄的作育基（图1 b）。这批注(HPO₄)²^-可以增进孢子萌发。同时，作育基中的Ca₃(PO₄)₂增进菌丝生长（图1 c）。这些效果证实了上面的推测。

4、判断S. scabies拮抗菌

对中国差别马铃薯产区的土壤样本举行多轮筛选，共疏散出988株具有抗S. scabies能力的菌株。其中芽孢杆菌所占比例最大，约为77%；假单胞菌占8.62%（图2 a）。这些拮抗细菌在疾病防治方面具有应用潜力。接纳高通量测序要领剖析了LP、MP和HP对土壤细菌组成的影响。具有潜在抗菌活性的两个属（芽孢杆菌和假单胞菌）的相对品貌随着磷肥用量的增添而显著降低（图2 b）。每个样本（LP、MP和HP）平均包括79,857个reads，与约莫1843个分类操作单位(operational taxonomic units, OTUs)相匹配。

接下来从拮抗菌株中，选择拮抗效果最好的芽孢杆菌的3株拮抗菌株DX-9、XJ-3和HZ-9，以及假单胞菌的1株拮抗菌株SC-2举行后续实验，发明增补Ca₃(PO₄)₂以剂量依赖的方法缩小了它们的抑制区（图2 c）。研究抑制率与Ca₃(PO₄)₂浓度的关系（图2 d），发明随着Ca₃(PO₄)₂浓度的升高，拮抗菌的抑制率降低。这些效果批注，高浓度Ca₃(PO₄)₂可降低有益菌对病原菌的拮抗作用，这有利于S. scabies的生长和滋生。

5、溶磷细菌筛选

为了验证是否可以通过降低土壤中Ca₃(PO₄)₂的浓度来控制CS病，本研究举行了溶磷细菌筛选。将拮抗效果最好的4株菌株接种到溶磷作育基中，选择平板上的透明圈作为溶磷菌。然后从筛选的细菌中选择1株增磷菌株DX-9和2株非增磷菌株XJ-3和HZ-9举行盆栽实验。与未经处置惩罚但接种了S. scabies链球菌的马铃薯相比，所有细菌处置惩罚过的马铃薯的CS发病率和严重水平都要低得多（图2 e）。DX-9处置惩罚组的疾病指数显着低于XJ-3和HZ-9处置惩罚组（图2 e）。在Ca₃(PO₄)₂作育条件下，Ca₃(PO₄)₂被DX-9剖析成(HPO₄)²^-和H₂PO_4，XJ-3作育后，作育基中含有Ca₃(PO₄)2和(PO₄)^3-，这与未作育细菌的比照组(Ctrl)的因素一致（图2 f）。通过扫描电镜视察到在含Ca₃(PO₄)₂的作育基中，S. scabiess和DX-9可能相互竞争以获得更好的生长条件（图2 g），批注具有溶磷功效的拮抗芽孢杆菌对马铃薯CS的防治效果较好。

6、田间试验

用DX-9在HLE和HD的农场举行了田间试验发明：与比照相比，施用DX-9的田间病害爆发率和病害指数均显著降低（图2 h-k），响应的，处置惩罚后田间管材产量显著提高（图2 i）。田间试验批注，DX-9可用于大规模生产中防治CS，提高马铃薯产量。

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图2.磷酸盐增溶菌比非磷酸盐增溶菌更有用地抵消CS

研究结论

本研究发明S. scabies渗透的有机酸可以在含有不溶性Ca₃(PO₄)₂的条件下生长，这是由于S. scabies渗透有机酸，将不溶性Ca₃(PO₄)₂剖析成(HPO₄)²^-。本研究筛选出一株增磷菌Bacillus sp. DX-9，经田间试验证实其对CS病有拮抗作用。其主要机制可能与细菌对不溶性Ca₃(PO₄)₂的释放和积累的增磷能力有关，并与S. scabies在生长和吸收磷方面睁开竞争。因此，以为芽孢杆菌DX-9对马铃薯CS具有较高的抗性，适合在马铃薯生产中大规模应用。

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