玉米种子萌芽过程中污染性微生物多样性鉴定

肖婉钰,王 盼,孙艺嘉,等.玉米种子萌芽过程中污染性微生物多样性鉴定[J].江苏农业科学,2023,51(7):154-161.doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2023.07.021
玉米种子萌芽过程中污染性微生物多样性鉴定
肖婉钰1,王 盼2,孙艺嘉1,周贤玉1,任海龙1,邹集文1,张 晶1,黄江华2,许东林1
(1.广州市农业科学研究院,广东广州510000;2.仲恺农业工程学院农业与生物学院,广东广州510000)
  摘要:为了分析可能影响玉米种子发芽率测定结果的污染性微生物种类,对广东省种子质量监督检验工作中抽检的8份玉米种子样品在萌芽过程中产生的发霉状污染物进行高通量测序与微生物种类鉴定。结果表明,这些样品在发芽率测定试验中产生的污染性细菌来自11门、22纲、36目、62科、119属,其中变形菌门(Proteobacteria)为优势门类,其平均相对丰度为76.8%,γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)为纲水平上的优势类(占60.0%),而假单胞菌属(Pseudomonas)、泛菌属(Pantoea)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)、鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)、伯克氏菌属(Burkholderia)和不动杆菌属(Acinetobacter)为平均相对丰度较高
的6属(占6.9%~24.1%)。上述玉米样品产生的污染性真菌属于3门、16纲、27目、53科、71属、93种,其中子囊菌门(Ascomycota)、毛霉门(Mucoromycota)的平均相对丰度分别为57.67%、41.59%,粪壳菌纲(Sordariomycetes)、毛霉纲(Mucoromycetes)与散囊菌纲(Eurotiomycetes)在不同污染物样品中为优势类(占56%~98%),根霉属(Rhizopus)、赤霉属(Gibberella)、木霉属(Trichoderma)、青霉属(
Penicillium)、篮状菌属(Talaromyces)为平均相对丰度最高的5个属,而少根根霉(R.arrhizus)、棘孢木霉(Trichodermaasperellum)、藤仓赤霉(G.fujikuroi)、草酸青霉(P.oxalicum)与当归蓝状菌(Talaromycesangelicus)为不同样品中的优势种。研究结果可为玉米种子检验试验的质量控制及玉米种传病害的预防提供有益参考。  关键词:玉米种子;发芽率;污染性微生物;多样性
  中图分类号:S339.3;S513.01  文献标志码:A  文章编号:1002-1302(2023)07-0154-07
收稿日期:2022-06-14
基金项目:广州市科技计划(编号:202102080340、202002020040);广东
省农业科技创新及推广项目(编号:2022KJ133)。
作者简介:肖婉钰(1991—),女,湖南常德人,硕士,农艺师,主要从事植物病理学及农作物种子质量检验技术研究。E-mail:1354022357@qq.com。
通信作者:许东林,博士,高级农艺师,主要从事农作物病理学研究。E-mail:feices@qq.com。
  玉米是我国种植面积广泛的重要粮食作物之一,为了确保在玉米种植业中使用优良种子,实现优产、高产,用种前需要对玉米种子进行质量检验。发芽率是反映种子质量的1个关键指标,在种子质量监督检验工作中是必检项目。根据GB/T3543 4—1995《农作物种子检验规程 发芽试验》,农作物种子发芽率的测定历时7~21d(玉米为8d),在此过程中,常见受检种子和/或幼苗因本身
携带各类病原菌[
1]
或受到环境中微生物污染而出现发霉、腐烂的现象,可能对测定结果的准确性产生较大影响,需要重新测定。分析玉米种子样品萌芽过程中可能出现的污染性微生物种类,对于在测定发芽率前对种子样品进行适宜的预处理(如消毒、灭菌等)、提高种子质量检验结果的准确性和工
作效率、筛选健康种子、预先避免玉米种传病害的发生等均具有参考价值。本研究挑选广东地区种子质量监督工作中抽检的8份玉米种子样品,采用微生物培养与高通量测序分析等方法对其在发芽率测定过程中产生的污染性微生物种类进行鉴定,以期为玉米种子质量控制及种传病害预防提供理论依据。1 材料与方法1.1 种子样品
供试的8份玉米种子来自2021年广东省种子
质量监督检验中的抽检样品,其编号分别为ym1(华美甜9号)、ym2(华美糯7号)、ym3(耕耘白糯)、ym4(华旺甜7号)、ym5(正大999)、ym6(极峰30)、ym7(桂单166)、ym8(华美甜168)。上述种子样品均来自广州市辖区内,系市售的小包装商品(每包500g或1000g),包装完好,种子无包衣,开始本试验时保质期限均大于6个月,抽样后于20℃干燥保存。1.2 种子萌芽及污染性微生物样品的采集
在2021年5月,按照GB/T3543—1995《农作物种子检验规程》中的要求,在广州市农业科学研究院实验室中对上述y
m1~ym8种子样品进行净种子分离和发芽率试验。每份样品随机选取400粒净种
子(100粒×4个重复),夹在2层湿润的发芽纸之间,随后将其放入发芽盒中(每盒1个重复),
在光照培养箱(25℃,光—暗周期为12h—12h)内保湿培养8d后,参照GB/T3543.4—1995《农作物种子检验规程发芽试验》中的方法测定发芽率(正常幼苗数/置床种子总数×100%),并统计污染率(出现发霉状污染物的种子数或幼苗数/置床种子总数×100%)。萌芽结束后,在生物安全柜中用灭菌的金属样品勺将发芽盒中的幼苗根部和/或发芽纸上出现的发霉样污染物刮下,将每份种子样品(4个发芽盒)中的污染物合并溶解于20mL灭菌双蒸水中,所得溶液保存于-20℃备用。在本研究中,将ym1~ym8在萌芽过程中产生的污染性微生物命名为样品YM1~YM8。
1.3 污染性微生物种类的鉴定
将染污物样品YM1~YM8经干冰运输交由生工生物工程(上海)股份有限公司进行总DNA提取、PCR扩增与高通量测序。用FastDNASpinKitforSoil试剂盒(美国MPBiomedicals)对污染性微生物菌液进行总DNA的提取,并用NanoDrop2000分光光度计进行纯度与浓度检测。以所得总DNA为模板,采用真菌ITS1区通用引物5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′与5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′对样品中所含的真菌DNA进行扩增,采用细菌16SrDNAV3~V4区通用引物5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′与5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′(H=A/C/T,V=A/C/G,W=A/T)对样品中所含的细菌DNA进行扩增。所得扩增产物按照标准
流程进行文库的构建并通过IlluminaMiseq/Hiseq平台进行高通量测序。测序完成后,对所得原始数据进行去除接头及引物序列、paired-end序列拼接等处理,再用barcode标签序列识别并区分各样品的测序结果,最后对序列数据进行质控过滤,得到各样品的有效测序数据。用Usearchv11软件(http://drive5.com/usearch/manual/)剔除重复序列,按照相似性≥97%的非重复序列为1个out(operationaltaxonomicunits),对所有非重复序列(不含单序列)进行OTU聚类,获得各个OTU的代表序列。通过GenBankBLAST比对,按相似度>90%且coverage>90%的标准筛选用于后续分类的OTU序列(不满足该条件的序列被归为“unclassified”),再用RDPclassifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列,进行分类学分析,鉴别每个OTU对应的物种分类信息。细菌16SrDNA片段采用RDPclassifier比对RDP数据库,真菌ITS片段序列使用BLAST比对UNITE数据库,最终分别在门(phylum)、纲(class)、目(order)、科(family)、属(genus)、种(species)等分类阶元上统计各样本的落组成。用Mothur软件计算各样品中微生物体的丰富度指数(Chao1与ACE)、多样性指数(Shannon与Simpson)及测序文库覆盖率(coverage)。
2 结果与分析
2.1 种子样品的发芽率及污染情况
置床培养8d后,样品ym1~ym8的发芽率为80%~92%,其中2个样品(ym1=80%,ym2=82%)的发芽率低于GB4401.1—1996《粮食作物种子———禾谷类》中规定的国家质量标准(85%),但在使用容许误差(5%)内可判定为合格。8个样品的发霉率为4%~15%,其中ym1、ym2、ym4的污染率均大于10%,表现为死种子或腐烂幼苗。此结果表明,污染性微生物可对部分种子样品的发芽率测定结果产生较大影响,甚至有可能影响合格性判定的准确性。
2.2 污染性细菌的落结构
通过对测序结果进行序列优化和OTU聚类,分别从8份玉米种子萌芽过程中产生的污染性微生物样品(YM1~YM8)中获得41467~61104条细菌DNA序列,共计68~231个OTU,8个样品共获得268个不同的细菌OTU。用RDPclassifier对这些OTU进行分类学分析,结果表明,8个样品中所含有的分类地位明确的细菌共来自11门、22纲、36目、62科、119属(表1)。其中,来自YM3和YM4的OTU数量及鉴定出的各级分类阶元数量均显著少于其他6个样品。根据Shannon指数的计算结果,YM2的细菌体多样性最高,YM8的多样性最低,二者均与其他6个样品间有较大差异;根据Chao1及ACE指数的计算结果,YM2的细菌
落丰富度最高,YM1次之,YM3和YM4的落丰富度最低(表1)。整体上看,样品的细菌落丰富度越高,其包含不同分类阶元的数量越多。
在门水平上,各样品的平均相对丰度大于1%的细菌有3个门,分别是变形菌门占比为76.8%,拟杆菌门占比为21.3%,厚壁菌门占比为1.2%,其中在YM3、YM5中变形菌门相对丰度高达97.9%~98.7%,在YM6中,拟杆菌门占53.6%,变形菌门
占45.6%。此外,装甲菌门(Armatimonadetes)细菌仅在YM2中检测到,相对丰度为3.5%,这部分细菌属于菌毛单胞菌纲、菌毛单胞菌目(Fimbriimonadales)、菌毛单胞菌科(Fimbriimonadaceae)、菌毛单胞菌属(Fimbriimonas)。在纲水平上,从8个样品中共鉴定到8个相对丰度>1%的细菌纲,其中6个样品中大部分(57%~88%)细菌来自γ-变形菌纲,而YM2、YM6中的细菌分散于不同的纲(表2)。
从8个污染物样品中共鉴定到相对丰度大于1%的细菌有12目、19科,它们在各样品中的相对丰度见图1。可以看出,在目水平上,假单胞菌目(Pseudomonadales)在4个样品中为优势类(占36.2%~79.7%),肠杆菌目(Enterobacteriales)在2个样品中为优势类(相对丰度>55%),黄杆菌目(Flavobacteriales)在1个样品中为优势类(占35 3%);而YM2中的细菌较分散,其中有87%来自伯克氏菌目(Burkh
olderiales)、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)、红螺菌目(Rhodospirillales)、肠杆菌目、噬纤维菌目(Cytophagales)、假单胞菌目、黄杆菌目、根瘤菌目(Rhizobiales)等8个目(占6.7%~17.1%)(图1)。在科水平上,在不同样品中占比>35%的优势类有假单胞菌科(Pseudomonadaceae)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、莫拉氏菌科(Moraxellaceae)、黄杆菌科(Flavobacteriaceae)等(图1)。
表1 玉米发芽率测定过程中污染性微生物落的多样性
类型样品名称序列数
(条)
OTU数
(个)
Shannon
指数
Simpson
指数
Chao1
指数
ACE
指数
测序覆
盖率(%)
明确分类阶元数量(个)/相对丰度>1%
的分类阶元数量(个)
门纲目科属种
细菌YM1585572012.030.21226.14219.341008/318/629/650/6101/7—YM2507142313.420.05242.55241.8210010/420/732/1255/13110/19—YM361104682.050.1974.4376.431005/111/320/530/644/9—YM466183712.040.1982.0090.191005/211/419/630/842/7—YM5414671751.810.32196.57196.261009/218/329/547/693/7—YM6478451892.010.21207.15205.061009/219/533/753/895/6—YM7594632022.160.21211.37213.671009/318/633/755/899/8—YM8438561831.270.59193.83197.051008/217/429/652/791/6—总计429189268—————11/322/836/1262/19119/26—真菌YM161021731.080.4494.8688.591003/28/213/224/228/435/3YM263383620.150.9679.0081.231003/27/211/217/223/225/2YM353683661.270.3885.1393.171003/28/313/322/429/434/4YM457611921.310.4098.4396.921003/212/420/439/452/462/5YM528339332.310.1633.5034.791003/310/814/818/1120/1326/13YM656914610.270.90
97.7596.491003/26/213/222/227/230/2YM715844671.400.3595.5083.251003/213/319/333/343/455/5YM859762730.530.8088.1188.331003/110/215/224/330/340/4总计396557115—————3/316/827/853/1271/1593/20
  由图2可以看出,在属水平上,假单胞菌属(Pseudomonas)在3个样品(YM1、YM4、YM8)中为优势类,占36%~77%;泛菌属(Pantoea,占52 4%)、金黄杆菌属(Chryseobacterium,占35 0%)、不动杆菌属(Acinetobacter,占52.5%)分别为YM5、YM6、YM7中的优势类。此外,鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)、伯克氏菌属(Burkholderia)、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)、克雷白氏杆菌属(Klebsiella)、固氮螺菌属(Azospirillum)、Luteibacter等属在部分样品中含量较高(8%~18%)。上述10个属在8个样品中的平均相对丰度为1%~24%。
2.3 污染性真菌的落结构
基于测序结果的OTU聚类结果显示,8个玉米种子污染物样品(YM1~YM8)获得了15844
~63383条真菌DNA序列,共计33~92个OTU,8个样品共获得115个不同的真菌OTU。采用RDPclassifier对这些OTU进行分类学分析,结果(表1)
表2 玉米发芽率测定过程中的污染性微生物纲水平的组成及相对丰度
类型所属菌纲
相对丰度(
%)YM1YM2YM3YM4YM5YM6YM7YM8所属菌门细菌
γ-
变形菌纲(Gammaproteobacteria)57.4421.4481.0360.7280.1121.6169.4487.85变形菌门黄杆菌纲(
Flavobacteriia)22.678.690.390.050.6135.305.056.11拟杆菌门鞘脂杆菌纲(Sphingobacteriia)13.9913.590.0116.670.0618.2217.600.80拟杆菌门β
-变形菌纲(Betaproteobacteria)2.1617.3214.8819.4114.1416.013.722.20变形菌门梭菌纲(Clostridia)
1.741.470.430.030.960.342.110.54厚壁菌门α-
变形菌纲(Alphaproteobacteria)1.2322.982.812.603.667.971.562.08变形菌门纤维粘网菌纲(Cytophagia)0.059.500.010.050.060.050.080.06拟杆菌门菌毛单胞菌纲(Fimbriimonadia)03.15000000装甲菌门
其他细菌
0.721.860.440.470.400.500.440.36真菌
粪壳菌纲(Sordariomycetes)68.630.3056.444.9136.494.681.2693.19子囊菌门毛霉纲(
Mucoromycetes)30.4197.9924.7758.6421.8194.804.000.28毛霉菌门散囊菌纲(
Eurotiomycetes)0.521.4318.0233.1813.270.2693.416.10子囊菌门座囊菌纲(
Dothideomycetes)0.310.160.382.052.430.150.730.30子囊菌门酵母纲(Saccharomycetes)0.050.050.290.4821.570.040.160.04子囊菌门银耳纲(Tremellomycetes)
0.010.010.050.071.390.020.030.01担子菌门微球黑粉菌纲(Microbotryomycetes)0000.021.0600.130.01担子菌门Moniliellomycetes0000.001.37000担子菌门其他真菌
0.06
0.07
0.06
0.65
0.61
0.05
0.28
0.0
表明,8个样品中含有的分类地位明确的真菌共来自3门、16纲、27目、53科、71属、93种。根据Shannon指数的计算结果,YM5真菌体的多样性最高,YM2的多样性最低。根据Chao1、ACE指数的
计算结果,YM4的细菌落丰富度最高,YM6次之,YM5的细菌落丰富度最低。
  在门水平上,从8个样品中共鉴定到3个真菌门:子囊菌门(Ascomycota)、毛霉菌门
(Mucoromycota)、担子菌门(Basidiomycota),平均相对丰度分别为57.67%、41.59%、0.67%。子囊菌门在其中5个样品(YM1、YM3、YM5、YM7、YM8)中的相对丰度高达69.5%~99.7%,而毛霉菌门(占58.6%~98.0%)在另外3个样品中为优势类,担子菌门在YM5中占4.4%,在其余7个样品中的含量均不足0.3%。在纲水平上,从8个样品中共鉴定到8个相对丰度>1%的真菌纲,其中粪壳菌纲(Sordariomycetes,占56.4%~93.2%)在YM1、YM3、YM8中为优势类,毛霉菌纲(Mucoromycetes,占58.6%~98.0%)为YM2、YM4、YM6中的优势类,散囊菌纲(Eurotiomycetes)在YM7中的相对丰度高达93.4%,而YM5中的真菌分散于不同的纲中(表2)。在目、科水平上,毛霉目(Mucorales)及其下属的根霉科(Rhizopodaceae)在样品YM2与YM6中,肉座菌目(Hypocreale
s)及其下属的肉座菌科(Hypocreaceae)在YM8中为绝对优势类(相对丰度为92%~98%),根霉科在YM4中为优势类(占58.6%);散囊菌目(Eurotiales)在YM7中占93.3%,由其下属的曲霉科(Aspergillaceae,占55 2%)、毛刷囊菌科(Trichocomaceae,占38.1%)组成;在其余4个样品中,也是上述3个目的丰度最高(图3)。此外,丛赤壳科(Nectriaceae)在样品YM1、YM3中为优势类,占56%~60%。
  在属水平上,根霉属(Rhizopus)、赤霉属(Gibberella)、木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、篮状菌属(Talaromyces)在8
个样品中

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