植物病原原核生物

普通植物病理学 GENERALPLANTPATHOLOGY 第三章植物病原原核生物 第一节原核生物概述一 植物病原细菌学发展简史Mistcherlich 1850 借助显微镜观察到活动的液体能引起马铃薯细胞崩解 认为可能是一种弧菌 Vibrio 第一个发现细菌引起植物病害 ThomasJ Burrill 1877 证明Illinois梨和苹果的火疫病是由细菌引起的 用胶状溢脓接种获得成功 C Auther 1885 用纯培养细菌接种和再分离 从而证实细菌是病原物 ErwinF Smith 美国 和A Fisher 德国 1905 出版了 细菌与植物病害的关系 Bacteriainrelationtoplantdiseases 奠定了植物病原细菌学 土居养二 1967 确定桑萎缩病的病原是类菌原体 MLO Saglio 1973 法国 首先从柑桔僵化病中分离到了一种螺旋形的菌原体 螺原体 并由此建立螺原体属 已经记载的植物细菌病害500种以上 植物病原细菌已经确认的约有250个种 亚种和致病变种 随着分子生物遗传学和生物技术的迅速发展和向其它学科渗透 目前植物细菌学的研究已进入分子生物学阶段 二 分布和为害凡有植物生长的地方都有细菌病害分布 但发生的种类则依不同气候带或不同生态区而异 植物病原细菌中有的种类寄生专化性强 只能侵染一种植物 有的种类寄生范围较宽 可侵染多种植物 最多的可达200余种 如青枯病菌 细菌病害对植物的为害是多方面的 如影响植物正常生长发育以及营养代谢或光合作用等 从而造成农作物的重大经济损失 例如 据从肯尼迪等 H W Kennedyetal l980 报道 1976年美国3l个州因43种细菌病害的为害而造成经济损失达2亿多美元 曾有报道棉花因角斑病 Xanthomonascampestrispv malvacearumDye 为害减产达30 在中国 水稻白叶枯病 X oryzaepv oryzae 于70年代初连续3年在长江流域大流行 每年发病面积约133 3万公顷 重病稻田一片枯焦 世界性重要细菌病害是 水稻白叶枯病 主要发生在中国 日本和东南亚各国 植物青枯病 PseudomonassolanaceareumSmith 各大洲都有发生 但主要在热带 亚热带及部分温带地区温暖 酷热 潮湿 多雨的条件下严重为害 中国的黄河流域及其以南各省均有发生 但以长江流域以南为害最重 植物软腐病 由几种欧文氏菌 Erwinia 引起的病害 主要为害十字花科作物 也为害禾本科及其它栽培植物 世界各国及中国南北方都有发生 梨火疫病 Erwiniaamylovora Burrill Winslowetal 主要发生在西欧和北美 为害梨 苹果等 有 细菌火 之称 是毁灭性的细菌病害 中国尚未发现此病 植物根癌病 又称冠瘿病 AgrobacteriumtumefaciensConn 各大洲都有分布 寄主范围很广 对核果类果树为害尤重 近年在中国局部地区的桃 葡萄 啤酒花等栽培植物上严重发生 马铃薯环腐病 Clavibactermichiganensesubsp sepedonicum 在欧洲 北美发生普遍 在中国马铃薯主要栽培区都有发生 以北方一季作区和南方冷凉山区较重 无毒种薯生产可减轻为害 三 研究内容主要研究细菌形态 染色反应 培养性状 生长与营养 生理和生物化学特性 血清学特征 遗传特性 遗传和变异 鉴定和分类 致病特性 地理分布 传播方式 流行生态 病原物与寄主植物互作的物理机制 生理生化机制和分子生物学机制 细菌病害的防治策略和防治技术 原核生物与真核生物的比较 一 分类单元植物病原核生物并不独立于原核生物之外 其命名原则 分类方法 分类单元和分类系统与原核生物相同 界 门 纲 目 科 属 种 种的概念 种是许多具有共同特征的菌系组成的群体 通常这些菌系与其它菌系有很大的区别 亚种 指在种下类群中在培养特性 生理生化和遗传学等性状有一定的差异的群体 菌系 strain 是由分离获得的纯培养物单个菌落繁衍的后代组成 模式菌系 typestrain 是种的命名菌系 由它以及和它相似的其它菌系组成种 由于细菌的种的概念包含人为的主观判断 因此 细菌种的表型和遗传特性上存在明显的多样性 目前认为根据遗传的相关性来定种更为客观 致病变种 pathvar pv 在种下以寄主范围和致病性为差异来划分的组群 生化变种 Biovar 是种内的菌株 按生理生化形状的差异来划分的组群 二 命名 植物病原细菌学名采用双名法 以拉丁文表示 细菌的学名由国际细菌命名法规所规定 法规的最新版本发表了 核准的细菌名录 ApprovedlistsofBacterialNames 名录包括经过国际系统细菌学委员会核准生效的所有细菌的科学名称 从1980年1月1日起始用 植物病原细菌的某些种之间除了致病性外 难于用生理生化特性加以区别 则为同物异名 因此未能列入 核准的细菌名录 为了保留这些细菌的分类地位 植物病理学家采用致病变种作为这些同物异名的分类单元 1980年编制了 植物病原细菌致病变种名录 三 分类系统 伯杰细菌鉴定手册 Berge sManualofDeterminativeBacteriololy 中的细菌分类体系被微生物学家普遍采用 1923年 第一版问世 到1994年已出版9版 原核生物的形态差异较小 许多生理生化性状亦较相似 遗传学性状了解尚少 原核生物成员间的系统亲缘关系不是很明确 根据 伯杰细菌鉴定手册 1994 和近年来 国际系统细菌学杂志 InternationalJournalofSystematicBateriology IJSB 报道的新属新种资料 原核生物界通常分为4个门 7个纲 35个组群 薄壁菌门 PhylumGracilicutes 厚壁菌门 PhylumFirmicutes 软壁菌门 PhylumTenericutes 疵壁菌门 PhylumMendosicutes 四 分类 伯杰手册 1923 第一版 植物病原细菌归属于植物单细胞菌属 该属名与原生动物的一个属名相重 因而舍弃 从第六版 1948 开始假单胞菌属 Pseudomonas 黄单胞菌属 Xanthomonas 土壤杆菌属 Agrobacterium 欧文氏菌属 Erwinia 棒杆菌属 Corynebacterium 木质部小菌属 Xylella 目前接受的植物病原原核生物有近30个属 其中薄壁菌门有近20个 厚壁菌门有6个 软壁菌门有2个 植物病原原核生物属的界限比较明确 意见也较一致 但种的划分有较大的分歧 过去 表形性状相似但致病性明显不同都认为是不同的种 但根据系统学的观点 不同来源的细菌只有在性状总体上相似方可认为是一个种 五 植物病原原核生物重要属 分类特征 1形态特征和培养性状 菌体形状与大小 鞭毛 荚膜 芽孢 在固体和液体培养中的形态特征和色素的产生 2生理生化性状 革兰氏染色反应和抗酸染色反应等 细胞壁结构与组分 色素和毒素的生化性状 抗原性 代谢类型 对碳原 氮原和大分子物质的利用能力与分解产物等 3遗传性状 DNA中G Cmol 核糖体核苷酸序列 DNA rRNA同源性等 一 薄壁菌门植物病原细菌主要属 1 土壤杆菌属 Agrobacterium Conn 1942菌体杆状 0 6 1 0 x1 5 3 0 m 单生或成对 鞭毛周生1 4根 土壤习居菌 好气性 G 无芽孢 菌落圆形 光滑 质地粘稠 不产色素 G C57 63mol 共有四个种 根癌土壤杆菌 A tumefaciens 模式种 寄主广泛 可侵害90多科300余种双子叶植物 尤以蔷薇科为主 引起桃 苹果 葡萄 月季的根癌病 癌肿是由病菌产生的激素引起的 发根土壤杆菌 A rhizogens 悬钩子土壤杆菌 A rubi 放射土壤杆菌 A radiobacter 非致病菌 土壤杆菌属的的许多菌株能产生细菌素 如土壤杆菌素K84是从澳大利亚土壤中分离的放射土壤杆菌K84菌株产生的 在世界上许多国家被成功地用于果树冠瘿病的生物防治 根癌土壤杆菌的致病因子是细菌细胞中的大质粒 称为Ti质粒 Tumerinducingplasmid 引起发根症状的质粒称为Ri质粒 Rootinducingplasmid 2 假单胞菌属 Pseudomonas Migula1894年建立 占植物病原细菌的一半 菌体短杆状或略弯 单生 0 5 1x1 5 5 0 m 单生 鞭毛极生1 4根或更多 广泛分布于江湖河水 土壤 G 无芽孢 严格好气性 菌落圆形 有荧光反应 G C58 70mol 根据 伯杰手册 包括94种 有植物病原细菌21种 59个致病变种 Young 1996 Pallevoni根据rDNA DNA同源性 分为5个组 植物病原细菌主要在第1 2组 少数在第5组 大多数有荧光反应 纯培养在紫外光下照射能发出强烈荧光 Agrobacterium Erwinia Pseudomonas Pseudomonassyringaepv phaseolicola 丁香假单胞菌菜豆生致病变种 晕斑病 Pseudomonassyringaepv lachrymans 丁香假单胞菌流泪致病变种 3布克氏菌属 Berkholderia Yabuueni 1993是从假单胞菌属第2组独立出来的 G C64 68mol 模式种是引起洋葱腐烂病的洋葱布克氏菌 B cepacia 茄科植物的青枯病是众所周知的 B solanacearum 引起的 4欧文氏菌属 Erwinia 1920 Winslow菌体短杆状 0 6 1 0 x1 5 3 0 m 多双生或短链状 鞭毛周生多根 兼性好气性 G 无芽孢 菌落圆形 隆起灰白色 G C50 58mol 该属大多数种是植物病原菌 引起植物坏死 溃疡 萎蔫 流胶 叶斑及软腐症状 常见种 菊欧文菌 E chrysanthemi 引起多种亚热带植物和观赏植物软腐病 胡萝卜欧文菌 E carotovara 俗称大白菜软腐病菌 寄生范围很广 包括十字花科 禾本科 茄科等20多科的数百种果蔬和大田作物 玉米细菌性枯萎病 E stewartii 和梨火疫病 E amylovara 是我国的对外检疫对象 Stewart swilt corn Erwiniastewartii 5黄单胞菌属 Xanthomonas 1939 Dowson菌体直杆状 0 4 0 7x0 7 1 8 m 单极生鞭毛 绝对好氧 G 菌落一般为黄色 光滑或粘稠 产生黄单孢菌色素 Xanthomonadins G C63 71mol 绝大多数成员为植物病原细菌 Vanterin 1995 归属20个种 120个致病变种 野油菜黄单胞菌 X campestris 模式种 俗称甘蓝黑腐病菌 野油菜黄单胞菌禾草致病变种 X c Pv graminis 引起禾谷类黑颖病 野油菜黄单胞菌柑桔致病变种 X c pv citri 柑桔溃疡病 稻黄单胞菌 X oryzaepv oryzae 侵染水稻引起水稻白叶枯病 Blackrotofcabbage Xanthomonascampestrispv campestris 6木质部小菌属 Xyllela 1987 Well菌体短杆状 0 2 0 5x1 0 4 0 m 单生 无鞭毛 兼性好气性 G 无芽孢 营养要求苛刻 琼脂上不能生长 需要血清蛋白或焦磷酸铁等 需要可溶性铁 喜欢在木质部中活动故称为木质部难养菌 Xylemfastidiousbacteria XFB 已知仅一种 木质部难养菌 X fastidiosa 引起葡萄的皮尔氏病 piece sdisease 苜蓿矮缩病等17种病害 7根杆菌属 Rhizobacter 菌体短杆状 略弯 0 9 1 3x2 1 2 5 m 团生 极生鞭毛 好气性 G 无芽孢 菌落白色或黄色 仅一种 胡萝卜根癌杆菌 R daucus 一起胡萝卜根部癌肿 8韧皮部杆菌属 Liberobacter 电镜下观察菌体梭形或短杆状 G 不能人工培养 存在于韧皮部 称为韧皮部难养菌 Phloemfastidiousbacteria PFB 或韧皮部局限菌 phloem limitedbacterium 过去称为类细菌 包括两个种 L asaticum引起柑桔黄龙病 CitrusHuanglongbing HLB 引起黄梢和青果 L africanum引起青果病 citrusgreening 二 厚壁菌门植物病原细菌的主要属 1棒形杆菌属 Clavibacter 1984 Davis菌体多形态 棒状 不规则棒杆状 常弯曲成L型或V型 0 4 0 75x0 8 2 5 m 无鞭毛 好气性 G 无芽孢 菌落不透明 灰白色 G C67 78mol 包含5个种和7个亚种 都是植物病原菌 引起系统性病害 表现萎蔫 蜜穗 花叶等症状 模式种是密执安棒形杆菌 C michigenensis 马铃薯环腐菌亚种 C m subsp sepedonicum 引起马铃薯环腐病 小麦密穗棒杆菌 C m subsp tritici 引起小麦密穗病 该属的成员原来都属于棒状杆菌属 Corynebacterium 由于它们和模式种 白喉杆菌 的差异较大 亲缘关系较远 所以细菌学家将植物病原细菌从中移出并建立了棒形杆菌属 棒状杆菌属仍保留 其成员都是人和动物的病原细菌 2节杆菌属 Arthrobacter 1947 Conn Dimmick在复合培养基上有明显的杆状 球形生长循环 细胞或角状或V形排列 没有真正的菌丝 杆状细胞不运动或偶有运动 绝对好氧 G G C59 70mol 仅一种病原菌 美国冬青节杆菌 A ilices 引起冬青细菌疫病 3短杆菌属 Curobacterium 1972 YamataetKomagata菌体不规则杆状 短小 0 4 0 6x0 6 3 0 m 随着菌龄变老 菌体变为球状 侧生鞭毛 好气性 G 老龄细胞常呈G 无芽孢 菌落圆形 隆起 奶油状 多为桔黄色 G C68 75mol 植物病原菌仅一种 菜豆萎蔫短杆菌 C flaccumfacienspv flaccumciens 引起菜豆幼苗矮化 成株萎蔫 4 红球菌属 Rhodococcus 菌体多为球形 但可以牙殖而变成短杆状或分枝丝状 好气性 G 无鞭毛 菌落淡黄色或桔红色 奶酪状 圆形不透明 G C59 69mol 仅一种 香豌豆带化红球菌 R fascians 侵害幼芽 幼茎 使呈丛生状 茎叶扭曲 叶柄和叶部常形成瘿瘤 5芽胞杆菌属 Bacillus 1937 Cohn菌体直杆状 0 5 2 5x1 2 10 m 鞭毛周生多根 活动行强 老龄菌体产生芽胞 好气或兼性厌气 G 菌落扁平 灰白色 边缘不整齐 有缺刻或波纹 较粘稠 G C32 39mol 常分离到 加快病组织的腐烂或坏死 少数可单独侵染而致病 可以产生细菌素或毒素 用作生物防治的材料 6链霉菌属 Streptomyces 属于放线菌 基内菌丝体生长发育良好 多分枝 一般不形成横隔也不断裂 有的菌丝在生长后期偶尔断裂 气生菌丝分支 在气丝上有长的孢子丝链 直或弯曲或螺旋状 孢子丝链分化为孢子 孢子圆型 椭圆形 或杆状 少数种能引起植物病害 如疮痂链霉菌 S scabies 和酸疮痂链霉菌 S oeidiscabies 为甘薯疮痂病的病原菌 三 软壁菌门植物病原生物主要属 菌体无细胞壁 只有一层原生质膜包围在菌体的四周 与植物病害有关系的统称为植物菌原体 包括螺原体属和植原体属 能穿透细菌过滤器 对青霉素不敏感 对四环素敏感 1螺原体属 Spiroplasma 菌体的基本形态为螺旋形 繁殖时可产生分枝 分枝亦呈螺旋形 生长繁殖时需要提供甾醇 螺原体在固体培养基上的菌落很小 煎蛋状 直径1mm左右 常在主菌落周围形成更小的卫星菌落 菌体无鞭毛 但在培养液中可以做旋转运动 兼性厌氧菌 基因组大小为5x108 5x109u DNA中G C含量为24 31mol 传病介体 叶蝉 飞虱等 柑桔僵化螺原体 S citri 引起柑桔僵化病和辣椒脆根病 玉米矮缩螺原体 S kunkelii 玉米 高粱和一些禾草 长春花黄花螺原体 S phoeniceum 玉米矮缩螺原体 S kunkelii typicalfilamentousgrowthinSpiroplasmcitrionalaboratorymedium 柑桔僵化病 healthyfruitmalformedfruit 2植原体属 Phytoplasma 菌体的基本形态为圆球形或椭圆形 在韧皮部筛管中或在穿透细胞壁上的胞间连丝时 可以成为变形体状 如丝状 杆状或哑铃状等 大小为80 1000nm 目前还不能人工培养 早期称之为类菌原体 Mycoplasma likeOrganism MLO 其分类和鉴定主要依靠生物学特征 如寄主 症状 介体专化性等 近年来分子生物学方法已广泛应用于此领域 分类取得了很大的进展 根据Kirkpatrich和Sears 1993 的建议暂时将MLO归入 CandidatusPhytoplasma 中 已知植原体有12个群25个亚群 正式命名的种有六个 CandidatusPhytoplasmaaurantifolia1995CandidatusPhytoplasmaaustralasia1998CandidatusPhytoplasmaaustraliense1997CandidatusPhytoplasmabrasiliense2001CandidatusPhytoplasmafraxini1999CandidatusPhytoplasmajaponicum1999 泡桐丛枝病Paulowniawitche s broom Enlargedbudsandgrowthdistortionischaracterisitcoftomatobig budphytoplasma amemberoftheasteryellowsgroupofphytoplasmas 第三节植物病原原核生物的侵染与传播 一 植物病原原核生物的寄生性与致病性1多数非专性寄生 寄生性的强弱有所不同 少数如植原体 专性寄生 强寄生菌 侵染植物的绿色部分 自然孔口入侵弱寄生菌 侵染植物的贮藏器官或抵抗力较弱的部位 2 寄主范围多专一 少数较宽 因种而异 较窄 水稻白叶枯 仅危害水稻 棉角斑黄单胞菌只为害棉属植物 较宽 甘蓝黑腐病黄单胞菌可以为害许多十字花科植物 癌肿土壤杆菌 可以为害643种植物 3致病性1 毒素主要破坏寄主细胞的半透性 造成原生质中不溶性物质转变为可溶性而外渗 造成细胞水分 养分向间隙外渗 引起腐烂或斑点症状 初期水渍状症状 2 酶果胶酶 分解细胞壁组织 引起崩解 引起的症状多半是腐烂 蛋白酶 使寄主细胞失活 造成细胞坏死 引起坏死症状 水解酶 分解碳水化合物造成细胞死亡 引起斑点 3 多糖类物质许多细菌可产生高分子量的多糖物质 阻塞导管 引起萎蔫 4 激素引起畸形 癌肿 5 III型分泌通道效应分子 二 侵染途径植物病原细菌不象真菌那样直接穿过角质层或从表皮侵入 一 侵入途径1自然孔口 气孔 水孔 皮孔 蜜腺 气孔 如棉花角斑病 水孔 如水稻白叶枯病和甘蓝黑腐病的病原细菌 蜜腺 梨火疫病 2伤口 wounds 以维管束病害为多 自然伤口 风雨 雹 冻害 昆虫等造成 人为伤口 耕作 施肥 嫁接 移栽 疏芽 疏果 打顶 收获 运输等造成 从自然孔口侵入的细菌一般都能从伤口侵入 反之不一定 蔬菜软腐病和只能从伤口侵入 很少从自然孔口侵入 3叶毛 leafhairs 梨火疫病菌可经由未受伤的叶毛侵入 二 决定侵入途径的因素1寄生关系的建立 2寄生性的强弱 寄生性弱的细菌一般都是从伤口侵入 寄生性强的细菌 较能适应寄生的生活 就不一定要从伤口侵入 3引起叶斑 叶枯症状的病原细菌 多可从自然孔口侵入 而引起萎蔫 腐烂和瘤肿等症状的则多是从伤口侵入 4不同分类地位的细菌侵入途径有所不同 如假单胞菌属和黄单胞菌属 自然孔口侵入为主 土壤杆菌属 棒形杆菌属和欧文氏菌属的以伤口侵入为主 三 侵入后的扩展1侵染薄壁细胞组织病害 病菌先在薄壁组织的细胞间隙蔓延 当寄主细胞受到损伤或死亡后再进入细胞内 原因 分泌果胶酶 产生酸性物质 挤向四周使细胞死亡或由于胶状物质渗透压高 使四周细胞产生质壁分离而死亡 分泌毒素 使四周细胞中毒而死 2维管束组织病害 通过薄壁组织或水孔后再进入维管束 在木质部或韧皮部扩展 稻白叶枯病菌在薄壁细胞中蔓延很慢 形成局部的枯斑 进入维管束组织后 蔓延加快 形成长条形叶枯症状 3瘤肿或其它畸形病害 病菌不深入到内部 它们在表皮细胞间扩展 很少破坏寄主的细胞和组织 但是组织中产生的少量的激素类物质 刺激寄主形成瘤肿等畸形症状 三 侵染来源病害的发生一定程度取决于接种体的数量 由于病原细菌繁殖速率极快 少量的细菌很可能在短期内造成病害的大流行 植物病原细菌不产生休眠孢子 但可以在种子 土壤 多年生寄主植物 植物残体 昆虫等上存活 多年生木本植物 病原细菌在枝条或树干上越冬 成为下年初侵染来源 一年生草本植物 1种子或其它繁殖材料 一二年生植物主要侵染源 多经系统侵染进入 种子上的细菌可以长期存活 如菜豆萎蔫菌可在菜豆上存活5 24年 2土壤 一般存活期较短 少数较长 如青枯菌 冠瘿菌 但只是保持生活力 不能繁殖 致病力下降 在土壤种存活长短与土壤温度 湿度 深度 土质 土壤微生物 pH等有关 3病株残体 是田间重要的来源 许多病原细菌可以在残体组织中长期存活 如 桃穿孔菌X campestiispv pruni 可在枝上病斑内越冬 再传至叶片 果实 新枝上引起病害 4 杂草或其它作物 个别寄主范围宽的细菌 出现生活史中寄主的交叉 5 昆虫 较少 如玉米萎蔫病菌 玉米叶甲体内越冬 梨火疫病 蜜蜂 蚂蚁带菌 四 传播 病原物的转移包括两个极不相同的过程 1 从病株传至健株上 这可由风 雨 昆虫 线虫等其它动物 人类及其农事活动 在该过程中 细菌必须从受侵染的植株上游离出来 沉积在健株的适宜部位引起侵染 2 受侵染的材料从流行区传至无病区 是通过