硅對(duì)燕麥幼苗稈銹病抗病能力的作用

李英浩 呂 品 米俊珍 趙寶平 劉景輝 薛國(guó)興

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019)

燕麥(

Avena

sativa

L.)是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)和西北干旱區(qū)等生態(tài)脆弱區(qū)主要的糧飼兼用作物及優(yōu)勢(shì)特色作物，具有抗旱、耐瘠薄和適應(yīng)性強(qiáng)等特性。燕麥稈銹菌(

Puccinia

graminis

f. sp

.

avenae

)引起的稈銹病是影響燕麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重大病害之一，在我國(guó)東北三省和內(nèi)蒙古自治區(qū)等地普遍發(fā)生且嚴(yán)重。植株感病后不但千粒重降低、面粉色黑不筋，而且莖稈易折斷、籽粒質(zhì)量下降，據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，燕麥稈銹病流行造成產(chǎn)量損失達(dá)5%以上。目前在燕麥生產(chǎn)中, 對(duì)稈銹病的防治主要通過大量使用化學(xué)殺菌劑，這不但會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境, 而且會(huì)大大降低籽粒的食用安全性。因此如何增強(qiáng)燕麥植株本身的抗病性, 特別是提高植株的系統(tǒng)獲得抗病性是目前亟待研究的問題。硅是地殼中最豐富的元素之一，雖然該元素不是植物生長(zhǎng)的必要元素，但在提高植物抗病性上有重要作用，如硅對(duì)水稻白葉枯病、番茄根腐病、黃瓜炭疽病、番茄腐霉病和豇豆銹病等病害均有一定的防治效果，因此，探究硅對(duì)燕麥稈銹病的防效，對(duì)于開辟稈銹病防治的新途徑和燕麥的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

楊艷芳等研究指出，外源硅能顯著降低小麥白粉病的嚴(yán)重度, 相對(duì)免疫效果達(dá)38.8%，同時(shí)接種白粉病后, 硅顯著地提高了葉片凈光合速率，抗氧化酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，意味著硅可通過參與植物的生理生化反應(yīng), 從而提高植物抗病性。目前，關(guān)于外源硅增強(qiáng)燕麥稈銹病抗性的研究尚未見報(bào)道，本研究以易感稈銹病的燕麥品種‘壩莜1號(hào)’為試驗(yàn)材料，用不同濃度的硅酸鹽處理后，測(cè)定燕麥稈銹病抗性、葉片光合性能、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等指標(biāo)，旨在探究硅在燕麥抗稈銹病過程中的生理功能，以期為應(yīng)用硅防治燕麥稈銹病提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用易感稈銹病的燕麥品種‘壩莜1號(hào)’為試驗(yàn)材料，供試燕麥稈銹菌從張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院燕麥生產(chǎn)試驗(yàn)田采集，試驗(yàn)所用的硅酸鹽(KSiO)及其他化學(xué)試劑均為分析純，所用營(yíng)養(yǎng)液參照Hoagland經(jīng)典配方進(jìn)行配置。

1.2 試驗(yàn)方法

1

.

2

.

1

燕麥幼苗培養(yǎng)

試驗(yàn)采用盆栽方法，供試土壤為蛭石與泥炭土按質(zhì)量比為1∶1的比例混合而成。泥炭土中 N+P+K含量>10 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量>50 g/kg，pH 7.0～8.5。塑料盆高12 cm，直徑15 cm，每盆裝混合土1 kg，種子經(jīng)次氯酸鈉消毒后播種在花盆中，每盆10粒。燕麥出苗后將花盆置于日光溫室中進(jìn)行培養(yǎng)。

1

.

2

.

2

接種方法

待燕麥幼苗第一葉充分展開即一葉一心時(shí)期，參照李天亞描述的方法進(jìn)行接種。具體方法：將分離純化后的稈銹病菌置于培養(yǎng)皿內(nèi)，首先用前端削成扁平的牙簽挑取稈銹菌均勻涂抹于葉片背面，接種時(shí)各葉片涂抹菌要定量且保持一致。接種后的葉片用0.05 %‘吐溫-20’水溶液噴霧形成保濕膜，放置在16～18 ℃的黑暗環(huán)境中保濕16～20 h后，移入人工溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，溫度控制在20～25 ℃，14 h(光)/10 h(暗)，接種6 d后開始每天觀察病斑(夏孢子堆)發(fā)展情況，待接種15 d觀測(cè)侵染后表型(發(fā)病率、嚴(yán)重度等指標(biāo))。

1

.

2

.

3

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置7個(gè)外源硅(KSiO)濃度梯度，分別為0(對(duì)照，CK)、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mmol/L，不同處理的營(yíng)養(yǎng)液中通過添加相等濃度的氯化鉀(KCl)來(lái)補(bǔ)充由于硅的濃度不同而帶來(lái)的鉀含量的差異，每個(gè)處理3次重復(fù)。從燕麥出苗開始每隔3 d分別用不同濃度的含硅營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行澆灌，每盆約200 mL，待幼苗長(zhǎng)至“一葉一心”時(shí)進(jìn)行接種，待接種15 d后觀察病斑(夏孢子堆)發(fā)展情況。

1

.

2

.

4

測(cè)試指標(biāo)及方法

待接種稈銹病菌后第15天進(jìn)行各指標(biāo)測(cè)定并取樣，取樣部位為帶有明顯稈銹菌孢子的葉片。

稈銹病侵染型包括發(fā)病率：發(fā)病葉片數(shù)占調(diào)查葉片總數(shù)的百分率，%。

嚴(yán)重度：病葉上稈銹菌夏孢子堆所占據(jù)的面積與葉片總面積的百分率，%。

最高病級(jí)：分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照Stewart等的方法。

采用硅鉬藍(lán)比色法測(cè)定葉片硅含量；采用烘干稱重法測(cè)定幼苗干鮮重；采用乙醇提取法測(cè)定葉綠素含量；應(yīng)用CIRAS-3便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)量光合參數(shù)(凈光合速率

P

、蒸騰速率

T

、氣孔導(dǎo)度

G

、胞間CO濃度

C

)；用FMS-2便攜式脈沖調(diào)制式熒光儀測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)(初始熒光

F

、最大熒光

F

、光化學(xué)效率

F

/F、光合性能指數(shù)PI)?？扇苄缘鞍缀俊⑷~綠素含量、脯氨酸含量、丙二醛MDA含量、過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性等指標(biāo)的測(cè)定參照李合生的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進(jìn)行處理和作圖，利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析，并運(yùn)用Duncan’s檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同硅濃度對(duì)燕麥稈銹病防效的影響

從圖1可知，施用不同濃度的硅后，葉片表現(xiàn)出不同的發(fā)病狀況，且隨著硅濃度的增加葉片所產(chǎn)生的稈銹菌孢子量呈現(xiàn)“先減少后增多”的變化趨勢(shì)，0 mmol/L硅處理的葉片上孢子量最多，1.5 mmol/L硅處理的葉片孢子量最少，葉片僅表現(xiàn)出褪綠發(fā)黃現(xiàn)象。因此，外源施用硅可以有效提高燕麥稈銹病抗性，且以1.5 mmol/L為最佳濃度。

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentrations of K2SiO3圖1 不同濃度硅處理下燕麥稈銹病的抗病效應(yīng)Fig.1 Resistance to oat stem rust under different concentrations of silicon

由表1可知，施用硅酸鹽溶液可顯著降低燕麥葉片稈銹病的發(fā)病率和嚴(yán)重度，即在KSiO濃度為0～1.5 mmol/L時(shí)，硅濃度越高，燕麥稈銹病的發(fā)病率、嚴(yán)重度及最高病級(jí)越低，不同硅濃度處理對(duì)稈銹病的防治效果具有顯著差異(

P

<0.05)。1.5 mmol/LKSiO時(shí)，燕麥稈銹病的發(fā)病率、嚴(yán)重度顯著低于其他處理，而防治效果均顯著高于其他處理(

P

<0.05)。1.5 mmol/L KSiO時(shí)，燕麥葉片的發(fā)病率和嚴(yán)重度比對(duì)照分別降低27.96%和35.32%，防治效果提高31.25%，且病級(jí)水平最低。綜上，施用1.5 mmol/L的KSiO對(duì)燕麥稈銹病具有最佳的防治效果。

表1 不同濃度硅處理對(duì)燕麥稈銹病的防治效果
Table 1 Control effect of different treatments of silicon concentrations on oat stem rust

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentration of K2SiO3發(fā)病率/%Incidence最高病級(jí)Highest disease level防治效果/%Control effect嚴(yán)重度/%Severity0 (CK)100.00±0.00 a4級(jí)0.00±0.00 f7.05±0.14 a0.595.96±2.22 b4級(jí)6.56±0.28 e6.85±0.27 a1.090.70±1.46 c3級(jí)21.25±0.23 d6.02±0.15 b1.572.04±1.87 e2級(jí)31.25±0.86 a4.56±0.20 c2.082.04±1.70 d3級(jí)30.25±0.61 b6.74±0.17 b2.582.33±2.05 d3級(jí)25.45±0.51 c6.21±0.25 b3.083.53±1.55 d3級(jí)25.25±0.26 c6.25±0.24 b

注：不同的小寫字母表示不同處理之間在0.05水平上差異顯著。數(shù)值是3個(gè)重復(fù)變量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。下同。
Note: Different lowercase letters indicate that there is a significant difference at the level of 0.05 between different treatments. The value is the mean±standard error of the three repeated variables. The same below.

2.2 不同硅濃度對(duì)燕麥幼苗干鮮重的影響

由圖2可知，在KSiO0～1.5 mmol/L時(shí)，燕麥幼苗的單株干重和鮮重均隨硅濃度的增加而增加，1.5 mmol/L KSiO時(shí)，幼苗的干重和鮮重顯著高于其他濃度處理，且燕麥幼苗的單株干重和鮮重比CK分別增加90.91%和74.71%(

P

<0.05)；當(dāng)KSiO從1.5增至3.0 mmol/L時(shí)，幼苗的單株干重和鮮重均基本維持不變。綜上，在稈銹菌侵染條件下，1.5 mmol/L KSiO為可促進(jìn)燕麥幼苗生長(zhǎng)的最佳濃度。

不同的小寫字母表示不同處理之間在0.05水平上差異顯著。數(shù)值是3個(gè)以上重復(fù)變量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。下同。Different lowercase letters indicate that there is a significant difference at the level of 0.05 between different treatments. The value is the mean ±standard error of the three repeated variables. The same below.圖2 不同濃度硅處理的燕麥幼苗的干重(a)和鮮重(b)Fig.2 Dry weight (a) and fresh dry weight (b) of oat seedlings under different treatments of silicon concentrations

2.3 不同硅濃度對(duì)燕麥葉片硅含量和葉綠素含量的影響

由圖3可知，不同硅濃度處理均對(duì)燕麥幼苗葉片中硅含量及葉綠素含量產(chǎn)生一定程度的影響。KSiO濃度為0～1.5 mmol/L時(shí)，葉片硅含量及葉綠素含量均隨硅處理濃度的增加而增加。其中1.5 mmol/L 的KSiO處理下，葉片硅含量和葉綠素含量相比CK分別提高66.67%和18.67%；當(dāng)KSiO從1.5增至3.0 mmol/L時(shí)，葉片硅含量基本保持不變，而葉綠素的含量顯著下降。

圖3 不同硅濃度處理的燕麥葉片的硅(a)和葉綠素(b)含量Fig.3 Silicon content (a) and chlorophyll content (b) of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

2.4 不同硅濃度對(duì)燕麥葉片光合參數(shù)的影響

由表2可知，接種稈銹病菌后，施用不同濃度的硅對(duì)燕麥葉片各項(xiàng)光合參數(shù)均產(chǎn)生較大影響，在KSiO濃度為0～1.5 mmol/L時(shí)，燕麥葉片的

P

、

T

、

G

及

C

均隨硅處理濃度的增加逐漸升高，當(dāng)硅濃度增加到1.5 mmol/L后，各項(xiàng)值開始下降。與CK相比，1.5 mmol/L KSiO燕麥葉片的

P

、

T

、

G

及

C

值分別升高51.47%、285.71%、285.71%和27.78%；與1.5 mmol/L KSiO處理相比，3.0 mol/L KSiO處理的葉片

P

、

T

、

G

及

C

值分別降低15.86%、68.15%、53.09%和22.06%。

表2 不同濃度硅處理的燕麥葉片的光合參數(shù)
Table 2 Photosynthetic parameters of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentrationof K2SiO3凈光合速率/(μmol/(m2·s))Pn蒸騰速率/(mmol/(m2·h))Tr氣孔導(dǎo)度/(mmol/(m2·s))Gs胞間CO2濃度/(μmol/mol)Ci0 (CK)2.04±0.04 e0.35±0.02 f0.021±0.012 e262.50±4.29 e0.52.05±0.04 e0.39±0.02 f0.023±0.007 d269.20±6.88 e1.02.36±0.03 d1.12±0.03 c0.052±0.017 bc301.11±8.40 c1.53.09±0.03 a1.35±0.03 a0.081±0.010 a335.42±9.65 a2.02.99±0.04 b1.30±0.02 b0.074±0.014 ab320.53±10.53 b2.52.65±0.03 c0.93±0.02 d0.040±0.010 cd284.82±5.35 d3.02.60±0.02 c0.42±0.01 e0.038±0.020 cd261.41±3.97 e

2.5 不同硅濃度對(duì)燕麥葉片熒光參數(shù)的影響

由表3可知，在稈銹病菌侵染條件下施用不同濃度的硅溶液，燕麥葉片各項(xiàng)熒光參數(shù)均出現(xiàn)明顯變化，

F

、

F

/

F

及PI均隨硅處理濃度的增加呈現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢(shì)，

F

變化趨勢(shì)相反，當(dāng)KSiO>1.5 mmol/L時(shí)，除

F

外其余各項(xiàng)值逐漸顯著降低(

P

<0.05)。1.5 mmol/L KSiO處理的燕麥葉片

F

、

F

/

F

及PI比CK分別升高19.62%、7.69%和5.84%，

F

比CK降低9.82%；與1.5 mmol/L KSiO處理相比，3.0 mmol/L KSiO處理的葉片

F

、

F

/

F

及PI分別降低15.32%、5.95%和5.52%，而

F

升高9.80%。

表3 不同濃度硅處理的燕麥葉片熒光參數(shù)
Table 3 Fluorescence parameters of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentration of K2SiO3初始熒光Fo最大熒光Fm光化學(xué)效率Fv/Fm性能指數(shù)PIABS0 (CK)443.49±7.77 a2 059.38±28.16 c0.78±0.03 b1.37±0.02 c0.5439.12±9.67 ab2 087.20±37.51 c0.79±0.03 b1.39±0.02 bc1.0421.15±10.49 c2 156.43±27.44 b0.80±0.02 b1.40±0.02 bc1.5399.95±7.37 d2 463.45±29.80 a0.84±0.02 a1.45±0.02 a2.0402.71±8.89 d2 156.58±17.27 b0.81±0.03 ab1.42±0.03 ab2.5425.02±5.20 bc2 100.67±33.09 c0.80±0.01 b1.39±0.01 bc3.0439.16±9.05 ab2 086.15±15.00 c0.79±0.02 b1.37±0.02 c

2.6 不同硅濃度對(duì)燕麥葉片抗氧化酶及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由表4可知，稈銹病侵染條件下，不同濃度硅處理對(duì)燕麥葉片中抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響也不同。在KSiO0～1.5 mmol/L時(shí)，隨著硅濃度不斷增大，葉片SOD和POD活性逐漸升高，而MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸降低。當(dāng)KSiO>1.5 mmol/L時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)隨硅濃度增加均呈現(xiàn)與前一階段相反的變化趨勢(shì)。1.5 mmol/L KSiO處理的燕麥葉片SOD和POD活性比CK分別升高35.66%和28.88%，MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量比CK分別降低50.00%、27.45%和16.62%。

表4 不同濃度硅處理的燕麥葉片抗氧化酶及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)
Table 4 Aantioxidant enzymes and osmotic regulators in oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentrationof K2SiO3超氧化物歧化酶活性/ (U/g)Superoxide dismutaseactivity過氧化物酶活性/(U/g)Peroxidase activity丙二醛含量/(mmol/g)Malondialdehydecontent可溶性蛋白含量/(g/g)Soluble proteincontent脯氨酸含量/(μg/mg)Proline content0(CK)5 525.95±88.28 d3.22±0.06 e0.16±0.02 a21.20±0.07 a401.80±5.05 a0.56 445.01±82.10 c3.36±0.07 f0.14±0.02 a19.85±0.12 b396.46±6.90 a1.06 889.87±93.63 b3.55±0.05 d0.12±0.01 ab17.52±0.05 d386.01±9.35 a1.57 496.48±99.05 a4.15±0.08 a0.08±0.02 c15.38±0.07 f335.01±10.41 c2.07 523.75±100.25 a3.95±0.03 b0.09±0.01 bc16.23±0.04 e345.40±12.93 bc2.57 012.73±97.34 b3.75±0.09 c0.13±0.04 ab17.41±0.05 d352.45±8.60 b3.06 958.31±70.67 b3.52±0.03 d0.14±0.03 a19.36±0.03 c386.07±7.74 a

3 討 論

硅對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有良好的促進(jìn)作用，主要表現(xiàn)在促進(jìn)植物健壯生長(zhǎng)、提高植物對(duì)干旱脅迫、鹽脅迫和細(xì)菌或真菌病害等脅迫的抵御能力。薛高峰等研究發(fā)現(xiàn)，水稻遭受白葉枯病菌侵染后，外源施用硅處理的植株生物量均顯著高于不加硅處理。這與本研究結(jié)果一致，施硅后可以顯著提高稈銹病脅迫下燕麥幼苗的干鮮重。Dannon等研究結(jié)果表明，外源施用硅能顯著降低番茄青枯病的發(fā)病率，降低病情指數(shù)。本研究結(jié)果顯示，外源施用硅同樣可以顯著降低燕麥稈銹病的發(fā)病率，顯著增強(qiáng)燕麥的抗病性，且與其他處理相比，1.5 mmol/L KSiO處理燕麥對(duì)稈銹病具有最佳的防治效果。

植物的光合作用是干物質(zhì)積累形成的基礎(chǔ)，較高的光合碳同化能力是植物生存的前提。研究表明，導(dǎo)致植物光合效率下降的原因分為氣孔限制(

G

和

C

同時(shí)下降)和非氣孔限制(

G

下降而

C

維持不變或者上升)2種。本研究中，燕麥葉片

P

、

G

和

C

隨著硅濃度的增加而提升，由此推測(cè)，稈銹病侵染條件下施硅可以通過調(diào)節(jié)葉片氣孔開閉進(jìn)而促進(jìn)光合作用。植物受到病菌侵染后，葉片光合機(jī)構(gòu)受到損傷，葉片的葉綠體片層結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉綠素含量降低，直接影響葉片的光合作用，有研究表明硅元素可緩解因病菌侵染導(dǎo)致的光合代謝紊亂，本研究也印證了這一結(jié)果，接種稈銹病菌后外源施用硅可以通過改變?nèi)~片的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)提高光合能力。然而李煥麗等研究指出，適量施硅可以有效提高黑穗病病原菌接種的甘蔗葉片的

P

，一旦施硅過量，則導(dǎo)致甘蔗葉片

C

升高，進(jìn)而降低

P

；這與本研究結(jié)果不同，稈銹病侵染下施用高濃度硅會(huì)降低燕麥葉片的

C

，這可能是由于作物種類的不同。

目前關(guān)于施用硅可加強(qiáng)植物對(duì)真菌病害的防御能力有2種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為硅在細(xì)胞中聚集起到了物理屏障的作用，不僅防止真菌菌絲的入侵，而且還減輕了真菌對(duì)細(xì)胞壁的降解作用，這可能是硅提高燕麥稈銹病抗性的一方面原因。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為硅可參與植物寄主和病原物相互作用的生理代謝過程，經(jīng)過一系列生理生化反應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活寄主防衛(wèi)基因，誘導(dǎo)植株系統(tǒng)抗病性的表達(dá)而起到了抑制病害的作用。SOD和POD是與植物抗病相關(guān)的抗氧化酶，主要功能是通過歧化反應(yīng)清除超氧陰離子自由基。本研究中，外源施用硅顯著提高稈銹病侵染條件下燕麥葉片SOD和POD活性，從而提高燕麥對(duì)稈銹病菌的抗性。MDA是膜脂過氧化作用的末端產(chǎn)物，其含量能夠代表膜脂過氧化的程度。本研究結(jié)果顯示，施用較高濃度的外源硅可使葉片MDA含量降低，說明稈銹病脅迫下較高濃度的硅能夠降低電解質(zhì)外滲率，抑制丙二醛積累，抑制膜脂過氧化作用。綜上所述，外源施硅可以有效降低燕麥的稈銹病發(fā)病率，具有良好的抗病效果。有關(guān)硅在植物抗病過程中的生理機(jī)制是復(fù)雜的，需要進(jìn)一步深入的研究和驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

接種稈銹病菌條件下，與0 mmol/L(CK)相比，施用1.5 mmol/L KSiO可顯著提高燕麥幼苗稈銹病抗性、光合特性(

P

、

T

、

G

、

C

、

F

、

F

/

F

和PI)、葉綠素含量、抗氧化酶活性(SOD、POD)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量(可溶性蛋白和脯氨酸)。由此說明，外源施用硅能通過參與燕麥的生理生化反應(yīng)提高幼苗抗稈銹病的能力，且以1.5 mmol/L為最佳硅濃度。