Biological Activities and Biochemical Characters of Toxin Produced by the Pathogen of Wheat Black Point (Alternaria alternate)

Biological Activities and Biochemical Characters of Toxin Produced by the Pathogen of Wheat Black Point (Alternaria alternate)

近些年，由于多种原因的影响，小麦黑胚病发生日趋严重，已经成为生产上的重要问题。由于该病危害，导致小麦籽粒质量和等级下降，影响种子出苗和幼苗生长，已成为小麦生产亟待解决的问题之一[1～5]。一些研究报道，黑胚病的主要病原菌链格孢（Alternaria alternata）可以产生致病毒素，甚至能够引起食道癌变，对人类健康有很大的威胁[6]。

虽然一些学者对小麦黑胚病的发病规律、品种抗性、防治技术以及黑胚籽粒对小麦出苗和生长的影响做了不少研究工作，但关于黑胚病菌链格孢的致病机制尚不清楚，对该病原菌的致病毒素未见报道[7～9]。对于毒素的致病机理，一些研究认为，是毒素造成了寄主植物某些生理生化方面的异常从而引起了病害症状[10～17]。本研究的目的是弄清小麦黑胚病优势病原菌链格孢所产毒素的生物活性和基本性质，了解病菌的致病机理，为进一步研究工作奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试小麦品种 抗病品种：豫麦47、豫优1号、科优1号；感病品种：豫麦18、豫农9901、漯麦4号；种子由国家小麦工程技术中心和河南省农业科学院小麦所提供。

1.1.2 供试菌株 小麦黑胚病菌链格孢（Alternaria alternata），由本实验室分离鉴定和保存。

1.2 试验方法

1.2.1 粗毒素的制备 转接黑胚病菌菌种于PDA 培养基上培养7d，然后取直径为6.5mm 大小的菌丝块，接种到150ml pH4的PSK液体培养基中（250ml三角瓶），每瓶一块，在25℃、110r/min恒温摇床上培养10～15天，至菌丝变黑。将培养液用滤纸过滤，滤液经高速离心，取上清液用0.45μm 微孔薄膜过滤，得无菌滤液。采用种子萌发和根长抑制法进行毒素生物活性测定。

1.2.2 生物学活性测定

1.2.2.1 病菌毒素对种子萌发的作用 选取饱满的小麦种子，用0.1%HgCl2进行表面消毒3min，然后用无菌水冲洗干净并用灭菌的滤纸将种子表面的水吸干。取直径9cm的培养皿，放入一张灭菌的滤纸，用5ml无菌滤液、1/4的稀释液、1/2的稀释液和2倍浓缩液的无菌滤液分别浸泡小麦种子，放置在（25±1）℃的培养箱中，3天后记载种子萌发率，以根长超过种子直径者计为萌发，计算种子萌发率和抑制率。

抑制率（%）=（清水对照种子萌发率—处理种子萌发率）/清水对照种子萌发率×100

1.2.2.2 病菌毒素对种子根生长的作用 选取饱满的小麦种子，加水浸泡12～24h时，倒掉水并用无菌水冲洗3遍后再放到25～26℃恒温条件下催芽。待主根长约2mm时，将种子胚向下摆在事先已铺有毒素浸湿的纱布（或滤纸）的培养皿内，再在种子上覆盖二层同样处理的滤纸，置25～26℃黑暗下培养48h，测定主根长度，并计算抑制百分率。

1.2.2.3 病菌毒素滤液对小麦籽粒黑胚率和千粒重的影响 制备病菌孢子悬浮液（10×10倍显微镜下，20～30个孢子/视野）和粗毒素滤液，在扬花后5天、10天和15天分别喷洒到扬花前已套袋的小麦穗上，并在接种后再次套袋。选取3个感病品种和3个抗病品种，每品种每次接种20穗。收获后调查籽粒黑胚率及千粒重。

1.2.3 病菌毒素的理化性质测定

1.2.3.1 毒素粗提物中蛋白与非蛋白部分的活性测定 在培养滤液中加入2倍体积的甲醇，随后将该培养滤液于10℃下3000r/min离心20min，得到含蛋白质的沉淀（即蛋白部分）和不含蛋白质的上清液（即非蛋白部分）。用蒸馏水将蛋白部分稀释至原培养液体积，非蛋白部分用旋转蒸发仪于60℃下减压蒸发充分除去甲醇后，也用蒸馏水稀释至原培养液体积，分别检测其生物活性，每处理3次重复，以未经处理的培养滤液和清水为对照。

1.2.3.2 毒素的酸碱稳定性测定 将毒素培养滤液的pH值用1mol/L NaOH和HCl分别调至3、4、5、6、7、8、9、10。于常温下放置24h后，再调回原值，在60℃水浴中浓缩至原体积，进行活性检测。每处理2次重复，以未经处理的培养滤液和清水为对照。

1.2.3.3 毒素的热稳定性测定 将无菌滤液分别于60、80和100℃水浴中处理20min、30min、40min、50min和60min，或于121℃高压灭菌处理20min，用无菌蒸馏水补足损失水分后，检测其生物活性。每处理2次重复，以未经处理的无菌滤液和清水为对照。

1.2.4 毒素提取物对小麦种子几种酶活性的影响 选取饱满的小麦种子，表面消毒后置于培养皿中，用浓缩2倍后的无菌滤液处理种子，分别在处理前，处理后3h、6h、12h、24h、36h和48h取样进行酶活测定。

1.2.4.1 多酚氧化酶（PPO）提取与活性测定 称取材料0.2g，冰浴研磨成匀浆。加入2ml 0.02mol/L的磷酸缓冲液（pH6.8），于4℃下4000r/min离心15min，上清液即为PPO粗提液。取粗提液100μl，加入pH6.8磷酸缓冲液1.5ml，混匀后于30℃水浴中保温10min。然后加入0.02mol/L邻苯二酚1.5ml，立即计时，于分光光度计398nm下测其3min内OD变化值，以每分钟增加0.01个OD值定义为一个酶活性单位（U），对照为3ml的磷酸缓冲溶液。各样品均重复测定3次。

1.2.4.2 过氧化物酶（POD）提取与活性测定 取材料0.2g，冰浴研磨成匀浆。加入2ml 0.05mol/L的磷酸缓冲液（pH6.0），于4℃下4000r/min离心15min，上清液即为POD粗提液。采用愈创木酚法，在470nm波长下测定吸光值，然后以每分钟每克鲜重OD值变化1.0所需的酶量为一个酶活单位（U），对照为3ml的磷酸缓冲液。各样品均重复测定3次。

1.2.4.3 SOD酶活性测定 取材料0.2g，冰浴研磨成匀浆。取4ml的SOD反应液与小烧杯中，加入50μl酶提取液，在加200μl核黄素，混匀（以pH7.8磷酸缓冲液代替酶液作为对照）。在光下反应10min，黑暗终止反应，与560nm下测吸光值。

2 结果与分析

2.1 链格孢毒素对小麦种子发芽和根系生长的影响

测定结果表明，病菌培养滤液对种子萌发和小麦根系的生长都有明显的抑制作用。培养滤液原液种子根伸长抑制率高达90.18%，对种子萌发抑制率也达到65.0%。浓缩两倍的培养滤液对种子萌发抑制率高达100%，种子根生长抑制率达到99.27%。随着培养滤液浓度的降低，对种子萌发和根系生长抑制率也逐渐下降（表1）。

培养滤液浓度平均种子萌发率（%）平均种子萌发抑制率（%）平均根长（cm）平均根长抑制率（%）培养滤液2倍浓缩液0e100.000.02c99.27培养滤液原液35.00d65.000.27c90.18培养滤液1/2稀释液70.00c30.001.18b57.09培养滤液1/4稀释液87.50b12.502.74a0.27清水对照100.00a—2.75a—

表1 链格孢毒素培养滤液对小麦种子萌发和根系生长的影响

2.2 链格孢毒素对黑胚率的影响

利用病菌孢子悬浮液和病菌毒素滤液分别接种处理小麦穗部，在收获后统计籽粒黑胚率，结果发现病菌孢子悬浮液和病菌毒素滤液处理籽粒黑胚率均比清水对照显著提高，其中病菌孢子悬浮液接种黑胚率高于毒素滤液处理，且扬花后5天和10天接种病原菌发病较厉害。（表2）。

处理处理时间（天）感病品种抗病品种漯麦4号豫农9901豫麦18豫麦47豫优1号科优1号CK（套袋）—2.41f3.77e2.35e2.87f0.78e0.79e毒素滤液扬花后5天3.00e6.28d4.24d6.78e2.13c0.95e扬花后10天4.81c15.61c8.53b10.44c2.71b1.51c扬花后15天3.85d6.63d2.82e9.57cd1.60d1.19d孢子悬浮液扬花后5天10.00a19.71a13.61a16.40b2.76b3.03a扬花后10天3.93d15.33c5.86c8.72d2.88b1.54bc扬花后15天6.69b18.28b7.80b18.42a4.36a1.76b

表2 链格孢毒素滤液和孢子悬浮液处理后小麦籽粒黑胚率 （%）

2.3 链格孢毒素滤液对小麦千粒重的影响

利用病原菌孢子悬浮液和毒素培养滤液分别处理6个小麦品种的麦穗，发现有些品种籽粒千粒重明显下降，损失率最高达到32.27%，与清水对照差异十分显著。而且，用毒素处理的小麦籽粒千粒重的影响还要大于接种病原菌孢子悬浮液的影响（表3）。

处理处理时间（天）感病品种抗病品种漯麦4号豫农9901豫麦18豫麦47豫优1号科优1号CK（套袋）—48.17a47.85a48.28a48.03a47.57a42.32a毒素滤液扬花后5天46.70b36.65d42.83c32.53e41.33c35.37cd扬花后10天36.53c41.20b42.53c34.23d39.39d36.75c扬花后15天46.39b38.58cd40.55d35.01d33.72e33.83e孢子悬浮液扬花后5天46.79b40.11bc44.74b42.98c43.22b35.37cd扬花后10天47.11ab42.76b42.98c45.50b38.28d40.03b扬花后15天46.40b40.39bc41.39cd45.26b33.73e34.33e

表3 链格孢毒素滤液和孢子悬浮液处理后千粒重

2.4 毒素的理化性质

2.4.1 病菌培养滤液中蛋白与非蛋白部分的活性测定 由实验结果可以看出，培养滤液中蛋白等大分子物质部分对种子萌发没有抑制作用说明该部分无致病活性，而非蛋白部分队种子萌发抑制率则与培养滤液原液相似，说明其保留了病原菌培养滤液的致病活性（表4）。

处理滤液蛋白部分滤液非蛋白部分培养滤液原液清水对照平均种子萌发率（%）98.3a47.33b46.67b100.00a平均种子萌发抑制率（%）1.7052.6753.330

表4 小麦黑胚链格孢代谢物中蛋白部分和非蛋白部分的活性

2.4.2 毒素的酸碱稳定性 测定结果表明，用不同pH值处理链格孢培养滤液24h后，其生物活性几乎不受影响，对种子萌发的抑制率都达到50%以上，与培养滤液原液没有明显差异，说明小麦黑胚病链格孢毒素具有较强的酸碱稳定性（表5）。

滤液pH值345678910原液清水对照平均种子萌发率（%）46.67b50.00b48.33b45.00b45.00b48.33b45.00b46.67b46.67b100.00a平均种子萌发抑制率（%）53.3350.0051.6755.0055.0051.6755.0053.3353.33—

表5 不同pH处理后链格孢培养滤液对种子萌发的活性

2.4.3 毒素的热稳定性 由表6可以看出，小麦黑胚病菌培养滤液于60、80和100℃水浴中处理20min、30min、40min、50min和60min处理后活性与没有处理的对照几乎没有差异，而且在121℃下处理20min仍不失活，说明其热稳定性较强。

温度处理（℃）处理时间（min）203040506012158.33a———10050.00a51.67a51.67a51.67a51.67a8051.67a55.00a53.33a53.33a51.67a6050.00a53.33a51.67a50.00a51.67a常温55.00a50.00a51.67a50.00a51.67a

表6 不同温度处理后链格孢培养滤液对种子萌发的抑制率 （%）

2.5 毒素对小麦种子酶活的影响

链格孢毒素对小麦种子多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）的影响见表7。测定结果表明，随着时间的延长，不论是感病品种还是抗病品种在毒素滤液处理后PPO、POD和SOD的活性均下降，且抗病品种较感病品种下降慢。从3种酶活性测定结果来看，SOD活性在毒素滤液处理后下降更为明显。

时间（h）PPOPODSOD豫优1号豫农9901豫优1号豫农9901豫优1号豫农9901028.0031.8323.5022.17214.04181.61328.8326.1722.0020.67204.10143.82623.0024.0018.8319.33198.70136.381222.0022.8317.6718.67179.67124.482420.1719.3317.3317.67154.9894.263619.0017.6718.0016.33115.4589.734817.1716.5017.0016.83112.1192.06

表7 毒素滤液处理对小麦种子酶活性的影响 （单位：U/min·g）

3 讨论

初步研究结果表明，小麦黑胚病菌可以产生致病毒素，该毒素能够抑制小麦种子萌发和根的伸长，并能加重黑胚病的发生，而且能够降低籽粒千粒重，初步结果表明病菌的致病作用与其产生的毒素有关，但是其机制有待进一步研究。

对毒素基本性质的研究是进行纯化的基础。虽然本实验研究的毒素是未经提存的粗毒素，但是能够揭示其一般的特性。本实验结果表明，小麦黑胚病链格孢毒素为非蛋白类物质，而且是一种热稳定性及酸碱稳定性均较高的物质。这为以后研究和利用毒素提供了理论依据。

SOD、POD、PPO这三种酶是存在于膜系统中的一种抵御活性氧伤害的保护酶，寄主在与病原菌或毒素的相互识别斗争过程中，会产生高出正常水平的活性氧，干扰正常的代谢功能，在正常情况下，活性氧都保持在一个动态平衡状态[11～12]。毒素处理小麦种子之后PPO、POD、SOD的活性均降低，可能由于毒素造成了活性氧清除系统中这三种酶系统的破坏，活性氧过量积累，细胞受到伤害，从而也抑制了种子的萌发。

小麦黑胚病菌链格孢毒素的致病作用可能是一个比较复杂的过程，除了本实验研究的几种酶的作用外，还需对其他一些相关酶、细胞膜透性、酚类代谢、氧化磷酸化、细胞器结构等很多理化机制和细胞学结构变化等进行深入研究。同时，也要加强对毒素纯化和结构分析等方面的工作，为进一步研究毒素的性质和作用机理奠定基础。