烤煙根結(jié)線蟲病發(fā)生與土壤酶活性的相關(guān)性研究

王啟宇，呂怡穎，楊 敏，方 宇，柯艷果，趙建榮，余 磊，黃飛燕

（1.昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南省都市特色農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650214；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，云南 昆明 650201）

根結(jié)線蟲（Meloidogynespp.）又稱根瘤線蟲，廣泛分布于植物根際土壤和根系周圍，是引起根結(jié)線蟲病、限制作物生產(chǎn)的主要病原微生物[1]。根結(jié)線蟲可于煙草生長的不同時期侵染根系，在煙株根部形成根結(jié)，造成根系畸形、萎縮，從而抑制營養(yǎng)物質(zhì)吸收和傳輸，導(dǎo)致煙株萎焉、黃化，嚴重時可致整株死亡[2]。隨著烤煙復(fù)種指數(shù)的增加以及重茬現(xiàn)象的日益嚴重，煙草根結(jié)線蟲病在我國多個植煙區(qū)呈擴散、蔓延之勢[3]，僅云南省每年發(fā)病面積就達 20 000～30 000 hm2，造成煙葉減產(chǎn) 30%～50%，是限制煙草產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素[2]。玉溪、昆明煙區(qū)具備得天獨厚的光、溫、雨、熱等自然條件，是高品質(zhì)煙葉的重要產(chǎn)區(qū)，同時也是煙草根結(jié)線蟲病易發(fā)區(qū)及重發(fā)區(qū)[4-5]。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的催化劑，是土壤生態(tài)功能的重要組成部分[6]，在土壤有機物質(zhì)礦化分解，礦質(zhì)營養(yǎng)元素循環(huán)遷移，能量轉(zhuǎn)化，環(huán)境質(zhì)量評價等方面均起到重要作用[7]。因此，土壤酶作為土壤組成中最活躍的有機成分，與土壤微生物息息相關(guān)，是觀察微生物群落活動的重要參考[8]，亦是反映土壤環(huán)境、有機質(zhì)含量和其他土壤特性的敏感指標[9]。土壤酶活性變化不僅反應(yīng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變，更對預(yù)防預(yù)判根結(jié)線蟲病發(fā)生，提高病情檢測精準度具有重要意義。現(xiàn)有研究表明，土壤多酚氧化酶及蔗糖酶與黃瓜根結(jié)線蟲病發(fā)生具有相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.829 和0.661[10]；左梅等[11]研究發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶及過氧化氫酶活性與根結(jié)線蟲發(fā)病等級呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)。該研究通過測定健康及根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、酸性蛋白酶、纖維素酶及酸性磷酸酶活性，了解根結(jié)線蟲病與土壤酶活性間的相關(guān)關(guān)系及變化規(guī)律，為綜合防治根結(jié)線蟲提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣品于2018 年6 月在云南省玉溪市紅塔區(qū)高倉街道（103°32′E，24°30′N）和云南省昆明市宜良縣九鄉(xiāng)鄉(xiāng)（103°20′31′′ E，25°1′43′′ N）進行采集。

玉溪市紅塔區(qū)年均降雨量為779.5～989.7 mm，年平均氣溫15.6～23.8℃，年無霜期 244～365 d，年平均日照2 115～2 285 h。試驗地海拔高度為1 760 m，土壤類型為紅壤土，灌溉方式為穴灌，前茬作物為小麥，土地相對平坦，排水良好。

昆明市宜良縣年均降雨量為 526.9～898.9 mm，年平均氣溫16.3～21.7℃，年無霜期260 d 左右，年平均日照2 032 h 左右。試驗地海拔高度為1 560 m，土壤類型為紅壤土。

1.2 試驗設(shè)計

選取烤煙根結(jié)線蟲病發(fā)病典型且嚴重的煙田，根際土壤樣品分別命名為九鄉(xiāng)發(fā)病土（JX-P）、高倉發(fā)病土（GC-P）、九鄉(xiāng)健康土（JX-H）和高倉健康土（GC-H）。在同一植煙地中選取未患根結(jié)線蟲病、生長完全正常的煙株和具烤煙根結(jié)線蟲病典型癥狀的煙株各 3 株，去除表層土后將煙株整株拔起，抖落較松散的土壤，然后收集附著在根上0～4 mm 間的土壤作為根際土（優(yōu)先采集健康煙株根際土樣），去除土樣中的雜物、細根后放入自封袋中（各煙株根際土樣單獨保存），采集的土樣分2 份，一份自然風(fēng)干保存，另外一份于－80℃ 冰箱中保存，待測。

1.3 考察指標及方法

土壤纖維素酶、酸性蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的相應(yīng)試劑盒進行檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)和圖表分別由SPSS 22.0 和Origin 2018處理并制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 根結(jié)線蟲對烤煙根際土壤酸性磷酸酶活性的影響

由圖1 可知，2 個試驗區(qū)烤煙根際土壤樣品中酸性磷酸酶活性均因根結(jié)線蟲浸染而顯著提高。九鄉(xiāng)及高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤酸性磷酸酶活性較健康煙株根際土壤分別提高474.82% 和294.86%，呈顯著性差異（P＜0.05）。此外，九鄉(xiāng)試驗區(qū)感病煙株根際土壤酸性磷酸酶活性是高倉試驗區(qū)的2.27 倍，差異達顯著水平（P＜0.05）。

圖1 健康和根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤酸性磷酸酶活性變化及差異性

2.2 根結(jié)線蟲對烤煙根際土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖2 所示，九鄉(xiāng)和高倉試驗區(qū)烤煙根際土壤過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為發(fā)病土＜健康土。九鄉(xiāng)試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株根際土過氧化氫酶活性較健康土降低了56.02%，高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲病土過氧化氫酶活性較健康土降低55.93%，2 個試驗區(qū)土壤過氧化氫酶活性變化均達顯著性差異水平（P＜0.05）。高倉試驗區(qū)健康煙株根際土壤過氧化氫酶活性是九鄉(xiāng)試驗區(qū)的1.96 倍，二者存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖2 健康和根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤過氧化氫酶活性變化及差異性

2.3 根結(jié)線蟲對烤煙根際土壤脲酶活性的影響

由圖3 所示，九鄉(xiāng)和高倉試驗區(qū)烤煙根際土壤脲酶活性均因根結(jié)線蟲侵染而出現(xiàn)下降趨勢。九鄉(xiāng)試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤脲酶活性較健康土降低了16.58%，高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲病土脲酶活性較健康土降低了5.50%，但變化均未達到顯著性水平。高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲病土及健康土脲酶活性分別是九鄉(xiāng)試驗區(qū)的1.61 倍和1.42 倍，存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖3 健康和根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤脲酶活性變化及差異性

2.4 根結(jié)線蟲對烤煙根際土壤纖維素酶活性的影響

如圖4 所示，九鄉(xiāng)及高倉試驗區(qū)烤煙根際土壤纖維素酶活性均表現(xiàn)為健康土＞發(fā)病土。九鄉(xiāng)試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株根際土纖維素酶活性較健康土下降24.15%；高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲病土纖維素酶活性較健康土下降19.85%，且二者差異均達顯著性水平（P＜0.05）。

圖4 健康和根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤纖維素酶活性變化及差異性

2.5 根結(jié)線蟲對烤煙根際土壤酸性蛋白酶活性的影響

如圖5 所示，九鄉(xiāng)及高倉試驗區(qū)烤煙根際土壤酸性蛋白酶活性均因根結(jié)線蟲侵染而下降。九鄉(xiāng)試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤酸性蛋白酶活性較健康土降低36.51%，差異不顯著（P＞0.05）；高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲病土酸性蛋白酶活性較健康土降低76.02%，差異顯著（P＜0.05）。

圖5 健康和根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤酸性蛋白酶活性變化及差異性

2.6 根結(jié)線蟲對烤煙根際土壤蔗糖酶活性的影響

如圖6 所示，九鄉(xiāng)及高倉試驗區(qū)烤煙根際土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為發(fā)病土＜健康土。九鄉(xiāng)試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤蔗糖酶活性較健康土下降50.19%；高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲病土蔗糖酶活性較健康土下降30.62%；二者差異均達顯著性水平（P＜0.05）。高倉試驗區(qū)根結(jié)線蟲感病煙株及健康煙株根際土壤蔗糖酶活性分別是九鄉(xiāng)試驗區(qū)的1.60 和1.15 倍，并存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖6 健康和根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤蔗糖酶活性變化及差異性

3 結(jié)論與討論

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持有機物代謝平衡，保證元素循環(huán)等方面發(fā)揮重要作用[12-13]。土壤酶活性既包括已積累于土壤中的酶活性，也包含正在增殖的微生物向土壤中釋放的酶活性[10]。因此，植株根系分泌及微生物釋放是土壤酶的2 大重要來源。根不僅是植物從土壤中攝取養(yǎng)分和水分的吸收器官，也是向周圍介質(zhì)釋放多種化合物的分泌器官[14]，而這些由植株根系自然分泌或根細胞溶解釋放的各種化合物則被統(tǒng)稱為根系分泌物[15]。自外國學(xué)者Knudson[16]率先在根分泌物中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化酶后，研究人員又相繼在根系分泌物中發(fā)現(xiàn)了磷酸酶、淀粉酶、蛋白酶、DNA 酶、RNA 酶等[10]。

根系是微生物生存的特殊環(huán)境，根際酶活性也與根際微生物種群數(shù)量、繁殖速率和生命活動過程息息相關(guān)，尤其當微生物受環(huán)境因素刺激時便不斷向周圍分泌酶，引起根際酶活性的顯著變化[17]。酸性磷酸酶是一種重要的水解酶，在促進土壤和植株體內(nèi)有機磷分解中起到重要作用，酸性磷酸酶活性是反應(yīng)土壤有效磷含量的重要指標[18]。有報道稱，酸性磷酸酶活性主要來源于土壤微生物和植物的根系分泌[18]，該研究中酸性磷酸酶活性同根結(jié)線蟲發(fā)病呈顯著性正相關(guān)，這可能是因為根結(jié)線蟲種群數(shù)量增加導(dǎo)致土壤微生態(tài)失衡，有效磷被大量富集，土壤磷營養(yǎng)剩余難以滿足植株生長需求，迫使植株提高根系酸性磷酸酶基因表達，增加土壤酸性磷酸酶活性，從而提高土壤有機磷水解轉(zhuǎn)化率，調(diào)控土壤無機磷水平[18]。土壤過氧化氫酶作為重要的氧化還原酶，可將土壤代謝產(chǎn)生的廢物快速轉(zhuǎn)化為低毒無害物質(zhì)，并增加土壤氧含量[19-20]。該研究中烤煙根際土壤過氧化氫酶活性與根結(jié)線蟲呈顯著負相關(guān)，可能是因為烤煙根系受根結(jié)線蟲侵染后，其自身抗氧化系統(tǒng)受損，使植株體內(nèi)過氧化氫酶釋放水平下降所致，但對于根結(jié)線蟲侵染導(dǎo)致植株相關(guān)酶分泌能力下降的作用機理還需要進一步研究論證。

該研究中烤煙根際土壤蔗糖酶、纖維素酶及脲酶活性與根結(jié)線蟲發(fā)病呈負相關(guān)關(guān)系，除脲酶外，其余酶活性變化均達顯著性水平。該結(jié)論與王宏寶等[10]、左梅等[11]的研究保持一致，分析原因可能是根結(jié)線蟲感病煙株根際土壤微生態(tài)失衡，導(dǎo)致根際酶活性急劇變化，不利于煙株對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和吸收，阻礙煙株正常生長發(fā)育，使其抗病性降低，并最終導(dǎo)致根結(jié)線蟲侵染加劇。另一原因可能是根際土壤酶活性越低，土壤微生物豐富度和多樣性也較低，導(dǎo)致土壤微生物活性下降，使其在與根結(jié)線蟲競爭土壤營養(yǎng)物質(zhì)的過程中處于劣勢，進而加劇了根結(jié)線蟲的繁殖速度和侵染活力。

酸性蛋白酶是土壤中主要的酶類之一，對標定土壤肥力具有重要意義。高倉試驗區(qū)烤煙根際土壤酸性蛋白酶活性因根結(jié)線蟲侵染而顯著降低，而九鄉(xiāng)試驗區(qū)該酶活性變化不顯著，且土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、酸性蛋白酶、纖維素酶和過氧化氫酶含量及活性的變化幅度因試驗區(qū)不同而存在顯著差異（P＜0.05），分析原因可能是植物在面臨不同的自然條件和生長環(huán)境時，會調(diào)動體內(nèi)相關(guān)酶基因表達水平，控制根系分泌物組分和含量，以此適應(yīng)現(xiàn)有生態(tài)位，保證植株正常生長，造成不同地域土壤酶含量和活性存在顯著性差異。因此，不同田間管理措施對根結(jié)線蟲發(fā)病率及土壤酶活性等指標的影響也值得未來進一步研究。