紅光處理西瓜植株對(duì)南方根結(jié)線蟲抗性的影響

趙仁宗，鄧 云，朱迎春，孫德璽，劉君璞

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所 鄭州 450009）

西瓜是一種重要的園藝經(jīng)濟(jì)作物，其甘甜爽口，是夏季消暑解渴的佳品，深受廣大群眾喜愛(ài)。中國(guó)是西瓜生產(chǎn)、消費(fèi)大國(guó)，2016年全國(guó)種植面積188.15萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)7 904.31萬(wàn)t[1]，栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位。隨著西瓜設(shè)施栽培面積的不斷增加，多種病蟲害發(fā)生也日趨嚴(yán)重，其中根結(jié)線蟲已成為危害西瓜生產(chǎn)的重要病害[2]，特別是種植結(jié)構(gòu)單一、長(zhǎng)期種植瓜類作物的地塊，根結(jié)線蟲的發(fā)生更嚴(yán)重，給瓜農(nóng)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)的化學(xué)防治手段因其高毒高殘留、對(duì)人畜危害嚴(yán)重而被限制使用，所以尋求一種高效、環(huán)保的根結(jié)線蟲防治方法已迫在眉睫。

許多研究表明，紅光在誘導(dǎo)植物抗根結(jié)線蟲方面具有重要作用。Islam等[3]報(bào)道稱紅光能夠提高擬南芥對(duì)根結(jié)線蟲的抗性，明顯減少擬南芥根部的根結(jié)數(shù)量；Yang[4]的研究也表明，紅光誘導(dǎo)番茄對(duì)根結(jié)線蟲的系統(tǒng)抗性，這與水楊酸（SA）和茉莉酸（JA）防御途徑有關(guān)。在西瓜根結(jié)線蟲的防治中運(yùn)用紅光處理的研究還未見報(bào)道，筆者以對(duì)南方根結(jié)線蟲抗性水平不同的西瓜種質(zhì)為試材，研究了接種南方根結(jié)線蟲后，紅光夜間補(bǔ)光對(duì)西瓜植株相關(guān)指標(biāo)的影響，以期為西瓜病害防治提供新的方法和思路，并為人工光源在農(nóng)業(yè)設(shè)施栽培中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試西瓜材料為‘中科1號(hào)’和‘紅籽瓜’，前者對(duì)南方根結(jié)線蟲表現(xiàn)為感病，后者表現(xiàn)為抗病，均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所二倍體西瓜課題組提供。南方根結(jié)線蟲由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院李紅梅教授提供，在感病番茄‘西粉902’上保存并擴(kuò)繁。南方根結(jié)線蟲的收集與接種參照李可等[5]的方法。

1.2 紅光夜間補(bǔ)光處理

試驗(yàn)于2017年10月在鄭州果樹研究所智能光照培養(yǎng)箱里進(jìn)行。西瓜種子在營(yíng)養(yǎng)缽（直徑10 cm，高10 cm）中播種，植株長(zhǎng)到4～5片真葉時(shí)進(jìn)行紅光處理，設(shè)置白天（8:00—20:00）溫度30℃，白光由飛利浦冷光源熒光燈（220 V，15 W）提供，調(diào)節(jié)光源與幼苗的距離使光強(qiáng)保持在 150 μmol·m-2·s-1；夜間溫度 25 ℃（20：00—次日 8：00），照射紅光，光強(qiáng)為50 μmol·m-2·s-1。單波紅光光源為 LED 燈（220 V，15 W），由深圳市桑恩格瑞光照技術(shù)有限公司提供。2個(gè)西瓜材料接種南方根結(jié)線蟲后，夜間進(jìn)行紅光處理，處理時(shí)間為0、1、2和3周，不同處理結(jié)束后恢復(fù)至正常光照環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)，統(tǒng)一在第3周后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。處理設(shè)置如下：A1：對(duì)照，‘中科1號(hào)’正常植株（未接種南方根結(jié)線蟲、未經(jīng)過(guò)紅光處理）；A2：‘中科1號(hào)’接種南方根結(jié)線蟲，并經(jīng)過(guò)紅光夜間補(bǔ)光；A3：‘中科1號(hào)’僅接種南方根結(jié)線蟲，未經(jīng)紅光夜間補(bǔ)光；A4：‘中科1號(hào)’未接種南方根結(jié)線蟲，僅紅光夜間補(bǔ)光。B1：對(duì)照，‘紅籽瓜’正常植株；B2：‘紅籽瓜’接種南方根結(jié)線蟲，并經(jīng)過(guò)紅光夜間補(bǔ)光；B3：‘紅籽瓜’僅接種南方根結(jié)線蟲，未經(jīng)紅光夜間補(bǔ)光；B4：‘紅籽瓜’未接種南方根結(jié)線蟲，僅紅光夜間補(bǔ)光。每個(gè)處理3次重復(fù)，每次重復(fù)5株。

1.3 紅光誘導(dǎo)抗性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 根結(jié)數(shù)統(tǒng)計(jì)及根結(jié)指數(shù)的計(jì)算 接種南方根結(jié)線蟲3周后對(duì)西瓜根系中根結(jié)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算根結(jié)指數(shù)。參照王志偉等[6]的方法，根結(jié)指數(shù)GI=根結(jié)數(shù)/根鮮質(zhì)量。

1.3.2 植株生物量測(cè)定 將西瓜根小心拔起，流水沖洗將根洗凈，吸水紙吸干多余水分，分別測(cè)定根、莖鮮質(zhì)量；用直尺測(cè)量西瓜株高。

1.3.3 西瓜根系酶活性的測(cè)定 接種南方根結(jié)線蟲后0、1、2和3周分別取樣，進(jìn)行西瓜根系苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過(guò)氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、超氧化物歧化酶（SOD）等酶活性（以鮮質(zhì)量計(jì)）的測(cè)定。PAL、POD、PPO活性測(cè)定使用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的酶活測(cè)定試劑盒（產(chǎn)品編號(hào)分別為：A137、A084-3、A136），PAL 活性測(cè)定以每g組織在每mL反應(yīng)體系中每min使290 nm吸光度變化0.01為1個(gè)酶活力單位。POD活性測(cè)定以每g組織在每mL反應(yīng)體系中每min使420 nm吸光度變化0.1為1個(gè)酶活力單位。PPO活性測(cè)定以每g組織在每mL反應(yīng)體系中每min使420 nm吸光度變化0.01為1個(gè)酶活力單位。SOD活性測(cè)定使用上海碧云天生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的酶活測(cè)定試劑盒（產(chǎn)品編號(hào)為：S0101），SOD活性測(cè)定以每g組織在每mL反應(yīng)體系中每min使450 nm吸光度變化0.1為1個(gè)酶活力單位。使用方法均參照試劑盒使用說(shuō)明，酶活單位用U·g-1·min-1表示。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理并繪制圖表，采用SPSS 12.0中T檢驗(yàn)和多重比較分析法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅光補(bǔ)光處理對(duì)接種根結(jié)線蟲西瓜植株生長(zhǎng)的影響

西瓜植株接種南方根結(jié)線蟲后，正常生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響。從圖1至圖3可以看出，‘中科1號(hào)’植株生長(zhǎng)受到的影響比‘紅籽瓜’更明顯，植株株高、地上部鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量等受到的影響均比‘紅籽瓜’大。經(jīng)紅光夜間補(bǔ)光后，2個(gè)西瓜材料的各生長(zhǎng)指標(biāo)均隨著紅光處理時(shí)間的增加而增加?！t籽瓜’在紅光處理1周后各生長(zhǎng)指標(biāo)即達(dá)到正常植株水平，2周或3周后，各生長(zhǎng)指標(biāo)均已超過(guò)正常植株水平；而經(jīng)紅光處理的‘中科1號(hào)’植株，在紅光處理的前2周均未達(dá)到正常植株水平，直到第3周時(shí)才達(dá)到并超過(guò)正常植株水平。

圖1 紅光對(duì)西瓜株高的影響

圖2 紅光對(duì)西瓜地上部鮮質(zhì)量的影響

圖3 紅光對(duì)西瓜根鮮質(zhì)量的影響

2.2 紅光補(bǔ)光處理對(duì)南方根結(jié)線蟲侵染后的影響

接種過(guò)南方根結(jié)線蟲的西瓜植株，抗性材料‘紅籽瓜’的根結(jié)數(shù)明顯少于感性材料‘中科1號(hào)’；經(jīng)過(guò)紅光夜間照射后，2個(gè)材料的根結(jié)數(shù)均未隨著紅光照射時(shí)間的增加而降低（如圖4所示）。但‘中科1號(hào)’的根結(jié)指數(shù)隨著紅光處理時(shí)間的增加而顯著降低，‘紅籽瓜’的根結(jié)指數(shù)雖然也隨紅光處理時(shí)間的增加而降低，但變化幅度遠(yuǎn)沒(méi)有‘中科1號(hào)’的明顯（由圖5所示）。紅光處理3周的‘中科1號(hào)’根結(jié)指數(shù)與未經(jīng)紅光處理的植株相比降低了65.04%，而‘紅籽瓜’中，紅光處理3周的植株比未經(jīng)紅光處理的植株降低了36.24%。

圖4 紅光對(duì)西瓜根結(jié)數(shù)的影響

圖5 紅光對(duì)西瓜根結(jié)指數(shù)的影響

2.3 紅光對(duì)西瓜根系抗性相關(guān)酶的影響

由圖6可知，僅接受紅光照射的處理A4、B4西瓜植株與各自對(duì)照（A1、B1）相比，其 PAL、PPO、POD、SOD活性均沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明單獨(dú)照射紅光對(duì)2個(gè)西瓜材料的PAL、PPO、POD、SOD活性沒(méi)有影響。接種過(guò)南方根結(jié)線蟲的處理A2、A3、B2、B3的PAL活性均顯著高于各自對(duì)照，并隨著南方根結(jié)線蟲接種時(shí)間的增加而升高，‘紅籽瓜’中PAL活性的變化幅度比‘中科1號(hào)’大。接種過(guò)南方根結(jié)線蟲的西瓜植株經(jīng)紅光處理后，A2比A3的PAL活性在紅光處理2周和3周后均有明顯升高，但未達(dá)顯著差異，但B2在紅光處理2周后顯著高于B3，PAL活性比B3高10.30%，表明紅光處理西瓜植株后，紅光對(duì)‘紅籽瓜’感病植株的PAL活性影響比‘中科1號(hào)’的影響要大。

接種南方根結(jié)線蟲后，2個(gè)西瓜材料的PPO活性均是先降低后升高，最后再降低的變化趨勢(shì)，在第2周時(shí)，‘中科1號(hào)’和‘紅籽瓜’的PPO活性均達(dá)到最高水平。但紅光照射后并沒(méi)有對(duì)2個(gè)西瓜材料的PPO活性產(chǎn)生明顯的影響。

圖6 紅光處理后西瓜根系PAL、POD、PPO、SOD等酶活性的變化

2個(gè)西瓜材料的POD活性在接種南方根結(jié)線蟲后，呈先上升后下降的趨勢(shì)，均在第1周時(shí)達(dá)到最高，之后隨著接種時(shí)間的增加而持續(xù)下降。但‘紅籽瓜’接種南方根結(jié)線蟲后POD活性變化幅度比‘中科1號(hào)’大。紅光處理后A2的POD活性在第1周和第2周均顯著高于A3，說(shuō)明紅光處理增加了‘中科1號(hào)’感病植株的POD活性。紅光處理后B2的POD活性也在第1周和第2周是顯著升高，且變化幅度高于‘中科1號(hào)’。

接種南方根結(jié)線蟲后，2個(gè)西瓜材料的SOD活性均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，‘紅籽瓜’中SOD活性下降的幅度比‘中科1號(hào)’大。經(jīng)紅光處理后，A2比A3在紅光處理后1周和2周時(shí)SOD活性略有下降，但未達(dá)顯著水平；B2比B3在紅光處理后2周和3周時(shí)SOD活性顯著降低。說(shuō)明紅光處對(duì)‘中科1號(hào)’感病植株的SOD活性的影響不大，但能顯著降低‘紅籽瓜’感病植株中的SOD活性。

3 討論與結(jié)論

3.1 紅光對(duì)西瓜感病植株生長(zhǎng)的影響

南方根結(jié)線蟲侵染西瓜根系后，刺激根部形成根結(jié)，破壞根細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)，對(duì)水分、營(yíng)養(yǎng)元素的吸收有不利影響，抑制植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育[7]，導(dǎo)致其株高、地上部鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量等指標(biāo)均受到影響[8]，這可以從本試驗(yàn)結(jié)果得到進(jìn)一步證實(shí)。南方根結(jié)線蟲侵染的西瓜植株，經(jīng)紅光處理后，‘中科1號(hào)’、‘紅籽瓜’形成的根結(jié)個(gè)數(shù)與未經(jīng)紅光處理的植株相比沒(méi)有減少（圖4），但根結(jié)指數(shù)顯著降低（圖5），且能使2個(gè)材料的植株株高、地上部鮮質(zhì)量、根系鮮質(zhì)量等都達(dá)到或超過(guò)正常水平，一方面可能是因?yàn)榧t光處理誘導(dǎo)某種抗病相關(guān)途徑的激活，產(chǎn)生或提高了某種抗性物質(zhì)的產(chǎn)生，抑制了南方根結(jié)線蟲的正常發(fā)育，減輕了南方根結(jié)線蟲對(duì)植株造成的危害，Yang等[8]的研究即證明了紅光能誘導(dǎo)激活番茄植株的水楊酸抗病途徑，涉及活性氧及木質(zhì)素等的合成；另一方面可能是因?yàn)榧t光也是光合作用有效的光源，能進(jìn)行光合作用產(chǎn)生有機(jī)物，顯著增加植株根系鮮質(zhì)量，使根系吸收更多地營(yíng)養(yǎng)，植株更強(qiáng)壯，使西瓜植株對(duì)南方根結(jié)線蟲的抵抗能力增強(qiáng)。Islam[3]等研究得出紅光能夠提高擬南芥對(duì)根結(jié)線蟲的抗病性，顯著減少擬南芥根部的根結(jié)數(shù)量。與本試驗(yàn)的研究結(jié)果不同，可能是不同植物材料對(duì)紅光的敏感程度存在差異，誘導(dǎo)抗性的發(fā)生機(jī)制不同，導(dǎo)致其誘導(dǎo)抗性的效果有所差異。紅光處理2個(gè)西瓜材料對(duì)南方根結(jié)線蟲的抗性的影響比較中，感病材料‘中科1號(hào)’的根結(jié)指數(shù)降低幅度明顯比‘紅籽瓜’大，但從株高、地上部鮮質(zhì)量、根系鮮質(zhì)量等方面的對(duì)比中，紅光處理后的‘中科1號(hào)’和‘紅籽瓜’的感病植株也都能達(dá)到甚至超過(guò)正常植株的生長(zhǎng)水平，說(shuō)明紅光對(duì)南方根結(jié)線蟲病害的西瓜植株有一定的治療效果，能使感病材料‘中科1號(hào)’抗性顯著增加，使抗性材料‘紅籽瓜’的抗性更強(qiáng)。本研究結(jié)果驗(yàn)證了Mutar[9]等人的研究結(jié)論，紅光處理后能夠提高植物對(duì)南方根結(jié)線蟲的抗性。

3.2 紅光對(duì)西瓜感病植株抗性相關(guān)酶活性的影響

根結(jié)線蟲侵染不但從表觀上嚴(yán)重抑制西瓜的正常生長(zhǎng)，而且，線蟲侵染還會(huì)引起植株體內(nèi)一系列生理生化反應(yīng)。苯丙烷類代謝產(chǎn)生的木質(zhì)素、酚類物質(zhì)及類黃酮等次生物質(zhì)在抵御病蟲害及構(gòu)成植物支撐系統(tǒng)等方面具有重要意義[10]。PAL是苯丙烷類代謝途徑中的關(guān)鍵酶和限速酶，參與抗性相關(guān)物質(zhì)酚類、植保素和木質(zhì)素等的合成，這些物質(zhì)與植物的防衛(wèi)反應(yīng)及抗病性密切相關(guān)。因此，PAL的活性升高，其植株抗性增強(qiáng)[11]。POD能催化單體木質(zhì)素聚合形成木質(zhì)素，木質(zhì)素是苯丙烷代謝的終產(chǎn)物，細(xì)胞壁中不同部位的木質(zhì)素能提高植物組織的機(jī)械強(qiáng)度，并能有效抑制病原微生物的生長(zhǎng)。POD活性升高被認(rèn)為是抗性水平提高的表現(xiàn)[12]。本研究中，接種南方根結(jié)線蟲后，‘中科1號(hào)’和‘紅籽瓜’的PAL、POD活性均升高，‘紅籽瓜’的變化幅度高于‘中科1號(hào)’，可能是因?yàn)椤t籽瓜’作為抗南方根結(jié)線蟲的野生西瓜材料，遭到南方根結(jié)線蟲侵染后，其抗病生理生化反應(yīng)比感病的‘中科1號(hào)’更為劇烈。這與葉德友[11]、徐小明[13]、Ramesh[14]等人的研究結(jié)果一致。

PPO是苯丙烷代謝途徑中重要的氧化酶，能將酚類物質(zhì)氧化轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨拘缘孽愇镔|(zhì)，對(duì)病原物產(chǎn)生毒害作用[15]，因此PPO活性的增加與寄主植物的抗病性密切相關(guān)。本研究中，2個(gè)材料的PPO活性均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的動(dòng)態(tài)變化，這可能與植株體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)有關(guān)[16]。

大量的試驗(yàn)研究表明，植物體內(nèi)活性氧酶清除系統(tǒng)在抗病過(guò)程中活性氧保持動(dòng)態(tài)平衡起著十分重要的作用，PPO、POD與SOD相互協(xié)調(diào)，共同維持植物體內(nèi)活性氧生成與清除的相對(duì)平衡。Rajasekhar[17]等研究番茄對(duì)南方根結(jié)線蟲的反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在感病反應(yīng)中SOD活性升高,抗病反應(yīng)中活性下降或或無(wú)顯著的變化。本研究結(jié)果表明，接種南方根結(jié)線蟲后，2個(gè)材料的SOD活性在線蟲侵染后均有不同程度的降低，‘紅籽瓜’的降低幅度比‘中科1號(hào)’的大。這可能是由于南方根結(jié)線蟲侵染后，根系SOD活性下降有利于提高其活性氧水平，而活性氧積累可對(duì)南方根結(jié)線蟲直接產(chǎn)生毒害，產(chǎn)生對(duì)南方根結(jié)線蟲的抗性[18]。

經(jīng)紅光夜間補(bǔ)光處理后，‘中科1號(hào)’和‘紅籽瓜’的PAL、POD活性均比未經(jīng)紅光處理的植株有顯著提高，‘紅籽瓜’中PAL、POD的活性變化幅度均比‘中科1號(hào)’大；2個(gè)材料的SOD活性均有所降低，同樣也是‘紅籽瓜’中的SOD活性變化幅度比較大。這些變化說(shuō)明了紅光處理西瓜植株對(duì)南方根結(jié)線蟲有一定的防治效果，能提高西瓜植株對(duì)南方根結(jié)線蟲的抗性，使感病材料‘中科1號(hào)’對(duì)南方根結(jié)線蟲產(chǎn)生了一定的抗性，使抗病材料‘紅籽瓜’對(duì)南方根結(jié)線蟲的抗性進(jìn)一步增強(qiáng)。PAL、POD、SOD等保護(hù)酶類均是苯丙烷類代謝的關(guān)鍵酶類，它們相互協(xié)調(diào)，共同發(fā)揮作用，使生物合成的木質(zhì)素含量增加，加厚了細(xì)胞壁，在抵御線蟲侵染的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。姜愛(ài)麗[19]等的試驗(yàn)表明，藍(lán)莓經(jīng)SA處理能促進(jìn)其果實(shí)苯丙烷代謝進(jìn)程，使木質(zhì)素合成增加，有效抵御有害微生物入侵；而Yang[8]、Islam[3]、Wang[20]等的研究證實(shí)，紅光能誘導(dǎo)植物的SA代謝途徑增加其對(duì)病害的抗性。由此可推斷，本試驗(yàn)中紅光處理也可能誘導(dǎo)了西瓜植物體內(nèi)的SA途徑，增加了西瓜對(duì)南方根結(jié)線蟲的抗病，其具體機(jī)制還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

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