外源茉莉酸甲酯對連作草莓土壤酶活性和酚酸類物質(zhì)含量的影響

范志偉， 張奇瑞， 劉小林， 徐勝光， 洪永忠， 耿智德

(1.昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南昆明 650214； 2.云南省高校生物炭工程研究中心，云南昆明 650214；3.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西宜春 336000； 4.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，云南昆明 650200)

草莓(×Duch.)是薔薇科(Rosaceae)草莓屬(L.)植物的統(tǒng)稱，屬多年生草本植物，是世界上栽培種植面積最廣的水果之一，具有極高的營養(yǎng)、藥用價(jià)值以及抗衰老功能，深得消費(fèi)者喜愛。但是，由于草莓是多年生草本植物，常年連作生產(chǎn)容易出現(xiàn)大面積品質(zhì)、產(chǎn)量下降和病蟲害增多等連作障礙現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致草莓減產(chǎn)30%～80%，甚至造成絕收。

酚酸類自毒物質(zhì)被認(rèn)為是誘導(dǎo)作物連作障礙的主因，其作為植株生長過程中向環(huán)境釋放的化感物質(zhì)，會在連作作物根際土壤中大量堆積，導(dǎo)致土壤酸化，進(jìn)而對土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)造成不利影響，使得作物抗病性下降，最終影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)。已有的草莓連作障礙相關(guān)研究也表明，草莓根系分泌物所含有的對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸等酚酸分泌物會明顯抑制根質(zhì)量，并與其他病原菌共同危害草莓，加重草莓連作障礙，最終導(dǎo)致草莓減產(chǎn)甚至絕收。

近年來，有研究報(bào)道，施用外源茉莉酸甲酯(MeJA)具有消減草莓連作障礙的效果，且認(rèn)為其機(jī)制在于外源MeJA可以提高草莓植株相關(guān)酶活性和誘導(dǎo)相關(guān)抗性基因表達(dá)，從而增強(qiáng)植株的防御和抗病能力，降低草莓連作時(shí)的發(fā)病率。但是，在MeJA消減作物連作障礙機(jī)制方面，前人僅關(guān)注了外源MeJA對草莓植株相關(guān)酶活性和相關(guān)抗性基因表達(dá)的影響，卻尚未關(guān)注外源MeJA對土壤酚酸類自毒物質(zhì)這一與作物連作障礙發(fā)生密切相關(guān)物質(zhì)的影響。

因此，本研究以草莓三年連作土壤和紅顏草莓為材料，通過觀測草莓根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量，土壤酚酸類化感自毒物質(zhì)含量和土壤酶活性，以及草莓單株果數(shù)和單果質(zhì)量等指標(biāo)，探究不同MeJA處理對連作草莓根際土壤養(yǎng)分、酶活性和酚酸化感毒物含量的影響，為揭示MeJA消減作物連作障礙的特征與機(jī)制提供試驗(yàn)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年9—12月在云南省昆明市呈貢區(qū)瑞雨農(nóng)草莓基地(102°83′E，24°85′N，海拔 1 913.8 m)進(jìn)行，試驗(yàn)地年均氣溫14.7 ℃，年蒸發(fā)量2 384 mm，年日照時(shí)數(shù)2 200 h，無霜期285 d，常年平均降水量為960 mm，主要集中在6—10月。試驗(yàn)地土壤為紅壤，耕作層的堿解氮含量為 515.88 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為3.23%，有效磷含量為71.88 mg/kg，有效鉀含量為623.57 mg/kg，pH值為6.67。

1.2 試驗(yàn)材料

供試草莓品種為紅顏草莓，供試的95%茉莉酸甲酯購自美國Sigma公司。MeJA溶液的配制方法：以少量二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)溶解MeJA后，用含體積分?jǐn)?shù)為0.2%Tween 80的蒸餾水配成1.0 mmol/L的母液，再用蒸餾水將其稀釋成設(shè)定濃度。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)MeJA溶液0 μmol/L(CK)、10 μmol/L(T1)、50 μmol/L(T2)、100 μmol/L(T3)、200 μmol/L(T4)、500 μmol/L(T5) 6個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組布局。各處理株行距為18 cm×25 cm。

1.4 種植管理

2021年9月10日，選取出苗15 d且株高在6～8 cm的紅顏草莓匍匐莖，將其用MeJA蘸根處理 10 min 后移栽至大田，CK組使用相同濃度的二甲基亞砜和乳化劑Tween 80蘸根處理。之后，每隔 5 d 按50 mL/株用量噴灑對應(yīng)濃度MeJA溶液至草莓葉面，共計(jì)噴灑6次，其余種植管理同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐一致。

1.5 觀測指標(biāo)及方法

在幼苗期(移栽后30 d)和開花結(jié)果期(移栽后60 d)，用抖根法采集每個(gè)處理的5株草莓植株的根際土壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤堿解氮含量測定采用擴(kuò)散法，土壤有效磷含量測定采用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法，土壤有效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-原子吸收火焰光度計(jì)法，土壤pH值采用電極電位法測定(1 ∶2.5 土水比例浸提液)，土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性測定采用底物誘導(dǎo)法，蛋白酶活性測定采用福林法，脲酶活性測定采用比色法。土壤酚酸類物質(zhì)含量測定參照吳丹等的試驗(yàn)方法。

開花結(jié)果期時(shí)，測量各處理的株高、單株果數(shù)和單果質(zhì)量。用測量尺測量草莓根莖部到最長葉片的垂直高度來計(jì)算株高，草莓植株成熟果實(shí)全部摘除時(shí)記錄并計(jì)算草莓單果質(zhì)量以及單株果數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析，顯著性水平均為=0.05，使用Origin 2018進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源MeJA對連作草莓根際土壤養(yǎng)分的影響

從圖1可以看出，無論是在幼苗期還是開花結(jié)果期，相對不施加MeJA的CK處理，MeJA處理的草莓根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量在總體上呈現(xiàn)降低趨勢，且多數(shù)達(dá)到顯著程度。在幼苗期，各處理有機(jī)質(zhì)含量排序?yàn)镃K>T5>T4>T1>T2>T3，MeJA處理較CK顯著降低10.40%～33.69%(<0.05)；各處理堿解氮含量排序?yàn)?CK>T1>T2>T5>T4>T3，MeJA處理較CK顯著降低12.68%～35.00%(<0.05)；各處理有效磷含量排序?yàn)镃K>T1>T5>T4>T2>T3，除T1、T5與CK無顯著差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低7.70%～45.07%(<0.05)；各處理有效鉀含量排序?yàn)镃K>T5>T1>T3>T4>T2，MeJA處理較CK顯著降低22.93%～36.38%(<0.05)。在開花結(jié)果期，各處理有機(jī)質(zhì)含量排序?yàn)镃K>T1>T2>T5>T4>T3，除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低5.84%～44.75%(<0.05)； 各處理堿解氮含量排序?yàn)?CK>T1>T5>T4>T2>T3， 除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低9.30%～26.74%(<0.05)；各處理有效磷含量排序?yàn)?CK>T5>T1>T2>T4>T3，MeJA處理較CK顯著降低11.12%～43.15%(<0.05)；各處理有效鉀含量排序?yàn)?CK>T1>T5>T4>T3>T2，除T1與CK無顯著差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低2.76%～39.26%(<0.05)。

值得注意的是，盡管在總體上，MeJA處理根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量相對CK呈現(xiàn)降低趨勢，但是綜合各個(gè)指標(biāo)和各個(gè)時(shí)期可以看出，T3或鄰近處理處于峰谷位置；在其之后，隨著MeJA處理濃度的提高，草莓根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量呈反彈上升趨勢。

2.2 外源MeJA對連作草莓土壤酚酸類物質(zhì)含量的影響

從圖2可以看出，MeJA處理的根際土壤對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸含量在總體上相對CK處理降低，且多數(shù)達(dá)顯著程度。在幼苗期，各處理對羥基苯甲酸含量排序?yàn)镃K>T1>T5>T2>T3>T4，除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低14.10%～43.06%(<0.05)；各處理香草酸含量排序?yàn)門5>T4>CK>T1>T3>T2，其中T1、T2和T3較CK顯著降低11.49%～20.11%(<0.05)；各處理阿魏酸含量排序?yàn)镃K>T1>T5>T2>T4>T3，MeJA處理較CK顯著降低15.27%～63.89%(<0.05)；各處理對香豆酸含量排序?yàn)镃K>T4>T5>T3>T1>T2，T1和T2較CK顯著降低25.42%和37.98%(<0.05)，其余MeJA處理與CK無顯著性差異。在開花結(jié)果期，各處理對羥基苯甲酸含量排序?yàn)镃K>T5>T1>T4>T3>T2，MeJA處理較CK顯著降低20.28%～53.58%(<0.05)；各處理香草酸含量排序?yàn)镃K>T5>T1>T4>T2>T3，MeJA處理較CK顯著降低17.59%～47.65%(<0.05)；各處理阿魏酸含量排序?yàn)門5>CK>T1>T4>T2>T3，除T5與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低18.37%～42.49%(<0.05)；各處理對香豆酸含量排序?yàn)镃K>T1>T2>T5>T4>T3，除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低18.09%～39.41%(<0.05)。

以上結(jié)果表明，外源MeJA可以降低重茬草莓根際土壤對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸積累。并且，無論是在幼苗期還是開花結(jié)果期，隨著MeJA處理濃度從0增加到500 μmol/L，各處理根際土壤上述4種酚酸化感毒物含量在總體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。綜合來看，T3或鄰近處理位于峰谷，在其之后，隨著MeJA濃度的提高，連作草莓根際土壤對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸含量呈反彈上升趨勢。

2.3 外源MeJA對連作草莓根際土壤酶活性的影響

從圖3可以看出，MeJA處理的過氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶的活性在總體上相對CK提高，且多數(shù)達(dá)顯著程度。在幼苗期，各處理過氧化物酶活性排序?yàn)門2>T3>T4>T5>T1>CK，MeJA處理較CK顯著提高25.26%～98.21%(<0.05)；各處理多酚氧化酶活性排序?yàn)門3>T2>T4>T1>T5>CK，除T1和T5與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著提高90.05%～202.87%(<0.05)；各處理蛋白酶活性排序?yàn)?T2>T3>T1>T4>T5>CK，除T5與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著提高37.92%～171.34%(<0.05)；各處理脲酶活性排序?yàn)門3>T2>T1>T4>CK>T5，除T5以外的MeJA處理較CK顯著提高12.84%～54.11%(<0.05)。在開花結(jié)果期，各處理過氧化物酶活性排序?yàn)門2>T4>T3>T1>T5>CK，MeJA處理較CK顯著提高27.80%～88.94%(<0.05)；各處理多酚氧化酶活性排序?yàn)門3>T2>T4>T1>T5>CK，T2和T3較CK顯著提高125.08%～148.81%(<0.05)，其余MeJA處理與CK無顯著性差異；各處理蛋白酶活性排序?yàn)門3>T2>T4>T1>CK>T5，除T5以外的MeJA處理較CK提高62.52%～148.83%；各處理脲酶活性排序?yàn)門3>T2>T1>CK>T4>T5，其中T2和T3較CK顯著提高34.15%和65.77%(<0.05)。

無論是在幼苗期還是開花結(jié)果期，隨著MeJA處理濃度從0增加到500 μmol/L，MeJA處理的根際土壤過氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶活性在總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。綜合來看，T3或鄰近處理位于頂峰，在其之后，隨著MeJA濃度的提高，草莓根際土壤過氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶活性呈下降趨勢。

2.4 外源MeJA對連作草莓植株生長指標(biāo)的影響

由表1可知，各處理的株高排序?yàn)門2>CK>T1>T3>T4>T5，T2顯著高于T5(<0.05)，其余處理間差異不顯著；各處理的單株果數(shù)排序?yàn)門3>T2>T4>T1>CK>T5，T3顯著大于T5，其余處理間差異不顯著；各處理的單果質(zhì)量排序?yàn)門3>T2>T4>T1>CK>T5，其中，T3處理的單果質(zhì)量26.86 g顯著大于CK和T5(<0.05)?？傮w來看，MeJA處理對草莓株高、單株果數(shù)和單果質(zhì)量的影響呈先上升后下降的趨勢，并且T3或鄰近處理位于頂峰位置。

表1 外源MeJA處理對草莓植株生長的影響

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀元素等養(yǎng)分含量影響著植株的生長狀況和產(chǎn)量形成，而土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、累積和分解幾乎都是通過土壤酶的作用完成。本研究結(jié)果顯示，MeJA處理的草莓根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量在總體上與CK相比呈降低趨勢，且多數(shù)達(dá)顯著程度(圖1)。這說明外源MeJA對草莓植株具有一定的生理調(diào)節(jié)作用，有利于促進(jìn)植株對根際土壤的養(yǎng)分吸收。由于蛋白酶和脲酶活性的增強(qiáng)，有利于土壤中蛋白質(zhì)等含氮化合物和尿素的轉(zhuǎn)化分解和被植物吸收，因此上述MeJA處理促進(jìn)根際土壤養(yǎng)分被草莓植株更多吸收的結(jié)果，應(yīng)該與草莓植株經(jīng)MeJA處理后，其根際土壤的蛋白酶和脲酶活性相比于對照有明顯增強(qiáng)(圖3)有關(guān)。已有研究表明，長期連作會導(dǎo)致土壤中蔗糖酶和脲酶等主要土壤酶活性的降低，從而影響土壤中養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化。因此，本研究所發(fā)現(xiàn)的施加外源MeJA可以增強(qiáng)連作草莓根際土壤相關(guān)酶活性和促進(jìn)草莓植株吸收土壤養(yǎng)分的結(jié)果，就意味著在生產(chǎn)實(shí)踐中，可以通過施加外源MeJA的措施，來增強(qiáng)土壤相關(guān)酶活性和土壤養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高植株長勢和緩解連作障礙。

酚酸類物質(zhì)具有化感作用，會對植株自身產(chǎn)生毒害作用，是作物連作障礙的主要誘因。本研究結(jié)果顯示，外源MeJA可以降低連作草莓根際土壤的對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸含量(圖2)，這可能與外源MeJA可以提高連作草莓根際土壤的過氧化物酶和多酚氧化酶活性(圖3)有關(guān)，因?yàn)檫^氧化物酶和多酚氧化酶等土壤酶可以促進(jìn)作物連作土壤酚酸類毒素的降解。已有研究表明，草莓根系分泌物含有的對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸等酚酸類物質(zhì)的分泌會明顯抑制根質(zhì)量，同時(shí)加劇連作土壤中病原菌菌絲生長、孢子萌發(fā)及侵染，加重連作草莓土傳根部病害，最終導(dǎo)致再植病害的發(fā)生。因此，本研究所發(fā)現(xiàn)的施加外源MeJA可以增強(qiáng)連作草莓根際土壤相關(guān)酶活性和降低酚酸類化感自毒物質(zhì)的結(jié)果，就意味著在生產(chǎn)實(shí)踐中，可以通過施加外源MeJA的措施，來增強(qiáng)土壤相關(guān)酶的活性和酚酸化感毒物的降解，從而消減草莓連作障礙。

施加外源MeJA后，連作草莓根際土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和土壤酚酸類化感自毒物質(zhì)的變化，除了表現(xiàn)前述的分別相對CK在總體上表現(xiàn)降低或升高的趨勢以外，也表現(xiàn)出隨著MeJA濃度的增加而在T3或其鄰近處理發(fā)生轉(zhuǎn)折的規(guī)律。即隨著MeJA濃度的增加，草莓根際土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(圖1)，土壤酚酸類化感自毒物質(zhì)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(圖2)，土壤酶活性則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖3)，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)都出現(xiàn)在T3或其鄰近處理。這說明，在以本研究結(jié)果為基礎(chǔ)，應(yīng)用外源MeJA消減草莓連作障礙時(shí)，應(yīng)根據(jù)作物種類和應(yīng)用環(huán)境篩選最優(yōu)使用濃度。

4 結(jié)論

施用適量外源MeJA后，連作草莓根際土壤酶活性上升，促進(jìn)了根際土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀被植株吸收和土壤酚酸類化感自毒物質(zhì)降解，進(jìn)而使得草莓單株果數(shù)和單果質(zhì)量等生長指標(biāo)提升。但是，上述趨勢會隨著MeJA濃度的增加而在濃度為100 μmol/L附近時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，可以應(yīng)用外源MeJA改善連作草莓根際土壤酶活性，以促進(jìn)土壤養(yǎng)分被植株吸收和酚酸化感毒物的降解，進(jìn)而緩解連作障礙；同時(shí)，應(yīng)根據(jù)作物種類和應(yīng)用環(huán)境篩選最優(yōu)使用濃度。