根腐線蟲脅迫下苧麻產(chǎn)量及生理活性的變化

朱四元，劉頭明，湯清明，唐守偉*，王延周，鄧國強

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，長沙 410205 2.沅江市農(nóng)業(yè)局，湖南 沅江 413100)

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根腐線蟲脅迫下苧麻產(chǎn)量及生理活性的變化

朱四元1，劉頭明1，湯清明1，唐守偉1*，王延周1，鄧國強2

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，長沙 410205 2.沅江市農(nóng)業(yè)局，湖南 沅江 413100)

苧麻又叫“中國草”，是我國特有的纖維兼飼用的經(jīng)濟作物。根腐線蟲是苧麻的主要病害之一，對纖維產(chǎn)量造成了嚴重的損失。本研究以中苧一號為材料，采用盆栽模擬試驗，研究了根腐線蟲脅迫后苧麻產(chǎn)量性狀及生理指標的變化。結果表明，根腐線蟲脅迫對苧麻產(chǎn)量影響很大，接種時間越長危害越大；根腐線蟲脅迫的時間越長多酚氧化酶(PPO)活性越高，但一定的時間之后增幅差異不顯著，過氧化物酶(POD)的變化趨勢與多酚氧化酶的變化相似；過氧化氫酶(CAT)活性在不同脅迫時間呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，而超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化呈現(xiàn)先上升后有所下降的變化趨勢；苧麻在遭受根腐線蟲脅迫后，在次生代謝物最明顯的變化是單寧和總酚類化合物含量的增加。本研究明確了苧麻根腐線蟲脅迫下產(chǎn)量及生理活性等變化特點，為苧麻根腐線蟲的防治及抗性指標的篩選提供理論基礎。

苧麻；根腐線蟲；生理指標；代謝產(chǎn)物

引言

苧麻是我國特有的以纖維為主要用途的經(jīng)濟作物。中國是苧麻的主要產(chǎn)區(qū),全世界90%以上的苧麻產(chǎn)自我國，在國際上稱為“中國草”[1]。在中國苧麻是僅次于棉花的第二大纖維作物。在苧麻生產(chǎn)過程中受到生物和非生物因子的影響會阻礙苧麻的正常生長,這些因子包括干旱、炭疽病及根腐線蟲病等[2]。其中根腐線蟲是導致苧麻敗蔸減產(chǎn)的主要病害,在我國主產(chǎn)區(qū)均有發(fā)生,常造成嚴重的經(jīng)濟損失[3]。全世界每年因植物根腐線危害造成的損失達到了125億美元[4]。它主要是侵入植物的根部阻礙植物從土壤中吸收水分和養(yǎng)分致使植株生長緩慢，慢慢的整個植株就變矮萎縮嚴重的降低產(chǎn)量和品質(zhì)。1985年,陳洪福等通過對湖南、湖北、四川、江西等主要麻區(qū)調(diào)査發(fā)現(xiàn),老麻園平均發(fā)病率達83.99%,造成發(fā)病中等麻園減產(chǎn)20%-30%,嚴重者失收[3]。1989年程瑚瑞、高學彪等發(fā)現(xiàn)安徽蕪湖和萱城等地有苧麻根腐線蟲病發(fā)生,通過形態(tài)學進一步確認咖啡短體線蟲為南方苧麻產(chǎn)區(qū)的優(yōu)勢病原[5]。2010年至2011年,劉慧玲等在重慶、四川、湖北、湖南、江西等地苧麻主產(chǎn)區(qū)進行根腐線蟲病調(diào)查發(fā)現(xiàn)危害最為普遍的是咖啡短體線蟲[6]。2014年朱四元等利用接種根腐線蟲轉錄組測序的方法篩選了苧麻抗根腐線蟲有關的代謝途徑及相關轉錄因子[7]。有關苧麻侵染根腐線蟲后生理活性指標的研究較少，為了全面系統(tǒng)的研究苧麻根腐線蟲的危害機理，本研究開展了接種根腐線蟲后苧麻產(chǎn)量及生理指標的響應研究，以期探明苧麻根腐線蟲脅迫下產(chǎn)量及生理生化的變化特點，為解決苧麻根腐線蟲這個生產(chǎn)上的難題提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

試驗材料為“中苧一號”當年生麻，由中國農(nóng)業(yè)科學院麻類所提供。

1.2試驗設計

盆栽試驗于2013年3-6月在中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所溫室內(nèi)進行，2013年3月選取在無根腐線蟲土壤中繁殖的長勢一致的扦插苗栽于盆中，每盆栽2株，一共移栽20盆，待扦插苗生長60天以后在苧麻苗的根部土壤中接種根腐線蟲，每盆接種200頭。試驗設計3個不同處理，對照(CON)：不接種根腐線蟲，處理1(inf1)：接種一個月后的為處理1，處理2(inf2)：接種2個月的為處理2。每個處理3次重復，每個重復5株。

1.3測定項目與方法

產(chǎn)量指標測定：對3個不同處理分別選擇5-10株測定株高、莖粗、皮厚及單株產(chǎn)量等指標。

多酚氧化酶(PPO)活性的測定，采用鄰苯二酚法[8]。

過氧化物酶(POD)活性測定，采用愈創(chuàng)木酚法。

超氧化物歧化酶(SOD)測定參照TAN等方法[9]。

過氧化氫酶(CAT)參照李仕飛等方法[10]測定。

丙二醛(MDA)含量測定，參照林艷等方法[11]。

單寧含量測定參照武予清等方法[12]。

總酚含量測定參照Anesini等方法[13]。

1.4數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 22軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2　結果與分析

2.1根腐線蟲脅迫對苧麻產(chǎn)量相關指標的影響

將根腐線蟲接種到苧麻盆缽中，接種30天(inf1)、60天(inf2)后發(fā)現(xiàn)與對照(CON)相比長勢明顯的變緩，植株矮化、葉片開始發(fā)黃；根部均有不同程度的發(fā)病，隨著接種時間的延長發(fā)病癥狀更加明顯。測定了接種30天(inf1)、60天(inf2)后苧麻的株高、莖粗、皮厚及單株纖維產(chǎn)量等指標表明，苧麻被根腐線蟲侵染后株高、莖粗及皮厚都顯著的低于對照并達到了顯著差異水平，單株纖維產(chǎn)量也顯著的降低。這說明根腐線蟲對苧麻的危害是很大的，影響苧麻的正常生長發(fā)育，導致產(chǎn)量顯著降低。

表1根腐線蟲對苧麻產(chǎn)量指標的影響

Tab.1The influence of the root-lesion nematode on the yield of ramie

處理株高(cm)莖粗(mm)皮厚(mm)單株纖維產(chǎn)量(g)CON71.67±4.163a8.07±0.182a0.66±0.024a5.28±0.148ainf152.67±1.201b6.35±0.107b0.51±0.012b3.71±0.018binf248.67±0.881c5.38±0.031c0.45±0.012b3.51±0.015b

注：同列不同小寫字母表示0.05水平差異。

2.2根腐線蟲對苧麻防御相關酶的影響

多酚氧化酶(PPO)是植物體內(nèi)廣泛存在的一種抗營養(yǎng)酶類，也是反應植物抗性的重要生化指標之一[14-15]。從圖1可以看出，接種30天的苧麻葉片PPO含量顯著的高于未接種根腐線蟲的，然而，接種60天后的根腐線蟲后PPO含量差異不是很明顯，脅迫的時間越長多酚氧化酶PPO含量越高，但一定的時間之后增幅差異不顯著。苧麻在遇到根腐線蟲侵染時提高多酚氧化酶PPO的含量來保護苧麻免受根腐線蟲的危害。過氧化物酶(POD)是普遍存在于植物體內(nèi)的一種復雜的防御相關酶，可以由很多生物及非生物的激發(fā)子誘導產(chǎn)生[16]。苧麻葉片過氧化物酶(POD)在接種根腐線蟲后30天、60天的變化趨勢與多酚氧化酶的變化相似，但不同時間段都呈現(xiàn)顯著的差異。

圖1　根腐線蟲對苧麻PPO和POD活性的影響

2.3根腐線蟲對苧麻抗氧化相關酶的影響

過氧化氫酶(Catalase, CAT)，是一類廣泛存在于動植物和微生物體內(nèi)抗氧化酶，CAT也可以將 SOD 產(chǎn)生的 H2O2分解為無毒性的 H2O和O2。它受到抑制后會使其底物H2O2含量升高,而H2O2是植物防御病蟲侵襲的一個穩(wěn)定的活性氧類,可作為局部信號介導防御基因的表達。從圖2可以看出，接種根腐線蟲30天后CAT含量明顯上升，對苧麻產(chǎn)生了一定的危害；接種60天后苧麻CAT顯著上升，對苧麻的生長發(fā)育影響更大，這也說明根腐線蟲危害苧麻隨著時間的增長危害越來越大。SOD 是活性氧清除反應過程中第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶,能將具有高毒性、不穩(wěn)定的自由基轉化為毒性較低,相對穩(wěn)定的H2O2。植物受到病蟲害侵襲時會產(chǎn)生大量活性氧,通過提高 SOD 活性來及時清除植物組織中的活性氧,使植物保持正常代謝,提高防御能力。從圖2可以看出苧麻葉片SOD活性的變化呈現(xiàn)先上升后有所下降的變化趨勢，苧麻根腐線蟲接種30天后SOD活性最高，表明此時苧麻葉片產(chǎn)生了大量的活性氧來提高抵御根腐線蟲的危害。

圖2　根腐線蟲對苧麻CAT和SOD活性的影響

2.4根腐線蟲對苧麻次生代謝物的影響

次生代謝產(chǎn)物是代謝的終產(chǎn)物，是植物抗病蟲的主要生化基礎?？偡雍康脑黾邮菍χ彩承岳ハx抗性的主要原因，酚類物質(zhì)含量越高抗蟲性越強[15]。由圖3可以看出，苧麻接種根腐線蟲30天、60天后單寧含量有一定的變化，但變化差異不是很明顯。但圖3可以看出，苧麻在遭受根腐線蟲損傷后，在次生化合物方面一個最明顯的變化是酚類化合物含量的增加，接種30天后變化不明顯，60天后變化更加顯著。

圖3　根腐線蟲脅迫下苧麻單寧及總酚含量的變化

Fig.3The content of tannic acid and tolal phenols in the ramie leaves stressed on root-lesion nematode

3　討論

當植物遭受病原生物等脅迫時會發(fā)生形態(tài)和生理的改變?nèi)ミm應逆境。根腐線蟲屬于遷移性內(nèi)寄生線蟲，寄生于植物的皮質(zhì)細胞，發(fā)育的任何階段都可侵入根部，在其移動的過程中，皮層細胞很多會被殺死，由于取食時對植物造成的機械損傷，再加上與真菌、細菌等其他病原相互作用引起嚴重病害。根腐線蟲可以侵入苧麻根部，特別是侵害苧麻的肉質(zhì)根莖，影響苧麻的正常生長，接蟲時間越長根腐率越高，對苧麻造成的影響越大。本研究表明，接種根腐線蟲后苧麻產(chǎn)量及其產(chǎn)量指標都明顯的降低，尤其是接種60天后產(chǎn)量損失更嚴重，因為根腐線蟲會在根部不斷的繁殖數(shù)量增加危害就更大，時間長了會導致苧麻植株幾乎無法生長，這與前人研究的結果是一致的[3]。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要在耕作制度上采取措施來減少根腐線蟲的危害，或是研制出根治根腐線蟲的生物農(nóng)藥來抑制線蟲的生長，實現(xiàn)苧麻產(chǎn)量的大豐收。

POD、CAT和SOD是植物體內(nèi)主要的抗氧化酶，能夠清除體內(nèi)多余的自由基，有效抑制活性氧自由基對機體的傷害[17]，阻止膜脂過氧化，維持膜系的穩(wěn)定性[18]，使植物保護系統(tǒng)免受傷害[19]，從而提高植物體抗逆能力。本試驗中，根腐線蟲危害后保護酶中POD、CAT活性均隨著接種時間的延長而增加；而SOD活性在接種30天后有所下降，這說明在受到根腐線蟲危害后苧麻葉片內(nèi)3種酶活性變化規(guī)律之間存在差異。PPO作為一種防護酶在植物的抗病機制中發(fā)揮重要的作用。本研究中苧麻在根腐線蟲脅迫下隨著接種時間的延長PPO活性有所增加，接種根腐線蟲30天后PPO活性明顯增高，接種60天后差異不顯著，隨著接種時間的延長PPO活性未呈現(xiàn)顯著的差異，這說明PPO活性與根腐線蟲的抗性在接種兩個月后相關性不是很大。

單寧為多元酚類物質(zhì)，可與蛋白質(zhì)分子結合形成穩(wěn)定的交叉鏈，抑制酶的活性，又可與淀粉等絡合，影響昆蟲對淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)的取食和消化。單寧的含量與抗蟲性呈正比，含量越高抗性越好。本研究表明，苧麻葉片單寧含量隨著接種根腐線蟲時間的延長單寧含量有所增加，但增加不是很明顯，可能是由于苧麻為了根腐線蟲危害增加了單寧的分泌來抵御蟲害。Bélanger等[20]通過組織學及超微結構分析發(fā)現(xiàn)，加硅處理的小麥葉片表皮細胞對白粉菌有特殊的防御反應，包括形成乳突，產(chǎn)生胼胝質(zhì)，并釋放酚類物質(zhì)；酚類物質(zhì)積累在細胞壁，降解病菌的吸器，從而抵御病菌入侵。本研究發(fā)現(xiàn)苧麻葉片總酚含量隨著接種根腐線蟲時間的延長有所增加，這可能是由于根腐線蟲侵染后苧麻為了抵御蟲害分泌更多的酚類物質(zhì)來保護苧麻的正常生長。

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The Yield and Physiological Activity Changes of Ramie in Response to Root-lesion Nematode Infection

ZHU Siyuan1, LIU Touming1, TANG Qingming1, TANG Shouwei1*,WANG Yanzhou1，DENG Guoqiang2

(1.Institute of Bast Fiber Crops, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, China2.The Agriculture Bureau of Yuanjiang City,Yuanjiang 413100,Hunan,China)

Ramie (Boehmerianivea), commonly known as China grass, is one of the most important natural fiber and forage economic crops. The root-lesion nematode is a major ramie disease and causes large fiber yield losses in China annually. In order to investigate ramie yield and physiological responses to root-lesion nematode stress, three groups of potted ramie (RLN-infected for 30 days (Inf1), severe RLN-infected stress (RLN-infected for 60days) and normal control) were tested. The result showed that the root-lesion nematode infection in ramie could lead to great yield loss. An increase of the polyphenol oxidase (PPO) activity was commonly observed in root-lesion nematode stressed, but the differences were indistinctively among them. The change trend of peroxidase (POD) was similar to the changes of polyphenol oxidase (PPO). Catalase (CAT) activity in different stress time presented the significant trend of increasing, and changes of superoxide dismutase (SOD) activity after rising to the change trend of decline. The most significant change was that there was an increase in tannin and total phenols content on secondary metabolites after RLN-infected stress. In this study, it was clear that the yield and physiological activity changes of ramie in response to root-lesion nematode infection, and it provided theoretical basis to prevent the root-lesion nematode and screening of resistance index.

ramie; root-lesion nematode; physiological indexes; metabolites

1671-3532(2016)04-0162-05

2016-04-28

國家自然科學基金(3157102042)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系(CARS-19-E13)

朱四元(1978-)，女，博士，副研究員，主要從事苧麻遺傳育種與栽培研究。E-mail：zhusiy2015@126.com。

唐守偉(1958-)，男，研究員，主要從事苧麻遺傳育種與栽培研究。E-mail：yjibfc@263.net。

S563.1

A