秦 瓊,魏淑芳,杜克云
(渠縣農(nóng)林局,四川渠縣 635200)
不同程度的葉銹病對(duì)楊樹(shù)生理代謝的影響
秦 瓊,魏淑芳,杜克云
(渠縣農(nóng)林局,四川渠縣 635200)
通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)研究了不同發(fā)病程度下,接種葉銹菌對(duì)青楊葉片組織內(nèi)過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶活性、丙二醛和葉綠素含量的影響。研究表明:發(fā)病程度與楊樹(shù)生理指標(biāo)的變化具有密切關(guān)系。接種葉銹菌后,隨著感病程度的增加,POD活性呈現(xiàn)梯度增長(zhǎng),感病末期達(dá)到活性最大值;PPO活性呈規(guī)律性增長(zhǎng),分別與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.01);葉綠素含量一直呈下降趨勢(shì),始末變化量明顯;丙二醛含量呈先迅速上升后緩慢下降態(tài)勢(shì),在感病中期達(dá)到峰值。各生理指標(biāo)與病情指數(shù)的相關(guān)性分析表明:過(guò)氧化物酶活性、多酚氧化酶活性均與病情指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05;P<0.01);葉綠素含量與感病等級(jí)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);丙二醛含量與之無(wú)顯著相關(guān)性。關(guān)鍵詞:楊樹(shù);葉銹?。簧泶x;酶活性
植物體內(nèi)一系列的生理代謝變化是反映植物機(jī)體健康程度的指標(biāo)[1]。對(duì)于大多數(shù)寄主植物而言,病原菌的侵入不會(huì)直接導(dǎo)致植物組織的破壞或死亡,而是通過(guò)影響機(jī)體的生理代謝變化從而改變寄主植物的生理狀態(tài)[2]。過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶是植物體內(nèi)普遍存在的兩種重要保護(hù)酶,研究顯示:過(guò)氧化物酶與植物的形態(tài)建成和抗逆性有關(guān)[3],多酚氧化酶活性的變化被認(rèn)為是植物受病原菌侵染后的一種防御性反應(yīng)[4]。另外,測(cè)定植物丙二醛和葉綠素含量的變化在一定程度上也可以反映出植物的生長(zhǎng)狀況和健康程度[5]。因此,研究植物機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶、丙二醛和葉綠素等物質(zhì)與寄主植物抗病機(jī)制的相關(guān)性在一定程度上為檢測(cè)寄主植物抗性、探索快速診斷寄主植物感病提供了有力的保障和發(fā)展前景。
楊樹(shù)(Populus spp.)是世界三大速生造林樹(shù)種之一,在我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及解決生物能源問(wèn)題中發(fā)揮著不可替代的作用,具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益[6]但目前,由柵銹菌屬(Melampsora sp)真菌所引起的楊樹(shù)葉銹?。ㄋ追Q黃粉病)嚴(yán)重影響著楊樹(shù)材積量的生產(chǎn),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,極大地威脅著我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)建設(shè)[7]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)楊樹(shù)葉銹病的大量研究主要集中在病原菌的鑒定和培養(yǎng)、發(fā)病規(guī)律及生物防治方面[8],但對(duì)不同發(fā)病程度下葉銹菌對(duì)楊樹(shù)生理代謝的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)研究不同發(fā)病程度下楊樹(shù)葉片組織內(nèi)過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶活性及丙二醛、葉綠素含量的生理指標(biāo)變化,揭示其抗性反應(yīng)機(jī)制及生理生化變化特征,為進(jìn)一步系統(tǒng)研究楊樹(shù)對(duì)葉銹菌的抗病育種工作提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 供試材料
供試植物:品種為大青楊(Populus ussuriensis Kom),采購(gòu)于雅安市園林植物公司的1年生枝條,在實(shí)驗(yàn)溫室內(nèi)扦插盆栽培養(yǎng)。
供試菌種:落葉松-楊柵銹菌(Melampsora larici-populina Kleb.)四川寶興單孢菌系(Sb)由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)森林保護(hù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。菌種的活化及接種均參照李振岐等方法[9],并在溫室下將菌種人工擴(kuò)繁于健康青楊葉片,產(chǎn)孢后用無(wú)菌水制成濃度為2×103CFU·mL-1的孢子懸浮液接種備用。
1.2 接種培養(yǎng)
選取健康盆栽青楊50盆作為實(shí)驗(yàn)材料,每盆中選取葉齡指數(shù)4-8的葉片為備接種葉片[10],接種前在葉背噴一層水膜,用棉簽蘸取備用的孢子懸浮液,均勻涂抹于葉背。另取10盆對(duì)葉片涂抹無(wú)菌水做空白對(duì)照。接種后分別隔離培養(yǎng)、觀察、并按照表1中的葉銹病分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在不同發(fā)病時(shí)期分別取樣測(cè)定,每組重復(fù)3次(參見(jiàn)表1)。
表1 葉銹病分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The leaf rust grading standards
1.3 生理指標(biāo)的測(cè)定
1.3.1 過(guò)氧化物酶活性的測(cè)定
酶液的提取參照童蘊(yùn)慧等的方法[11]。酶活性的測(cè)定參照李合生的方法[12],略有改動(dòng):依次加入2%H2O20.5 mL,0.05 mol·L-1愈創(chuàng)木酚1 mL(現(xiàn)配現(xiàn)用),0.05 mol·L-1pH6.8磷酸緩沖液1.5 mL,酶液0.05 mL,立即于20℃水浴中保溫5 min。TU-1800SPC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó)Beckman公司)測(cè)OD470的變化,每分鐘讀數(shù)1次,記錄5分鐘的OD470值。以ΔOD/g(FW)*min表示酶活性,以吸光度值(ΔOD)變化0.1為1個(gè)酶活性單位(u)。
1.3.2 多酚氧化酶活性的測(cè)定
酶液提取同上。酶活性測(cè)定參照朱廣廉等的方法[13],略有改動(dòng):依次加入0.02 mol·L-1的鄰苯二酚1.5 mL,0.05 mol·L-1磷酸緩沖液1.5 mL,對(duì)照以蒸餾水代替酶液,反應(yīng)在30℃下溫育2 min,TU-1800SPC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)OD398的變化。
1.3.3 丙二醛(MDA)含量的測(cè)定
MDA含量測(cè)定參照鄒琦的方法[14]:取0.5 g葉片,加少許石英砂和10%的TCA(三氯乙酸)8 mL,冰浴研磨,勻漿于10 000 g冷凍離心10 min,取上清液2 mL加入0.6%硫代巴比妥酸(TBA)2mL混勻,后于沸水浴反應(yīng)20 min,迅速冷卻,離心。取上清液測(cè)定532 nm、600 nm和450 nm波長(zhǎng)下的吸光度。用蒸餾水作參比,計(jì)算公式如下:
CMDA(μmol·L-1)=6.45(OD532-OD600)-0.56 OD450
MDA含量(μmol·g-1FW)=CMDA×樣品提取液體積(mL)/樣品鮮重(g)
1.3.4 葉綠素含量的測(cè)定
稱取0.5 g葉片,放到研缽中,加石英砂少許,丙酮3 mL,研磨成勻漿,再加入5 mL丙酮,攪拌提取5 min,靜置在暗箱里過(guò)夜提取,第2天得到深綠色的提取液,觀察綠渣呈無(wú)色后用漏斗過(guò)濾,濾液即為色素提取液。分別以提取溶劑為空白,掃描測(cè)定提取液的吸收值A(chǔ)663、A645。根據(jù)提取液中葉綠素濃度,換算成每克鮮葉中葉綠素含量[mg·g-1(FW)]。
利用Arnon公式計(jì)算葉綠素的濃度:
葉綠素a濃度(mg·L-1):Ca=12.7 A663-2.69 A645;
葉綠素b濃度(mg·L-1):Cb=22.9 A645-4.68 A663;
葉綠素總濃度(mg·L-1):C(a+b)=Ca+Cb=8.02 A663+20.21A645。
1.4 數(shù)據(jù)處理
利用EXCEL和SPSS分析軟件進(jìn)行葉銹病病情指數(shù)與各個(gè)生理指標(biāo)比較分析和各個(gè)生理指標(biāo)的差異分析。
2.1 不同發(fā)病程度下葉銹菌對(duì)楊樹(shù)葉片內(nèi)過(guò)氧化物酶(POD)活性的影響
健康楊樹(shù)葉片在接種落葉松-楊柵銹菌后,POD活性發(fā)生了明顯變化,酶活值呈現(xiàn)梯度增長(zhǎng),始末變化量為29.86 U·g-1(FW)*min,并在5級(jí)發(fā)病程度達(dá)到最大活性值83.11 U·g-1(FW)* min,而對(duì)照組中酶活力均保持在一個(gè)較低的穩(wěn)定水平。POD活性試驗(yàn)表明:不同發(fā)病程度下楊樹(shù)葉片內(nèi)POD活性均與健康對(duì)照差異顯著(P<0.05)(圖1),說(shuō)明病原菌的入侵改變了青楊葉片組織內(nèi)的POD酶活性系統(tǒng)的代謝變化,隨著感病指數(shù)的增加POD活性逐漸增強(qiáng)。
圖1 不同感病程度POD含量
2.2 不同發(fā)病程度下葉銹菌對(duì)楊樹(shù)葉片內(nèi)多酚氧化酶(PPO)活性的影響
由圖2可知,在不同生理時(shí)期內(nèi)健康青楊葉片組織內(nèi)的PPO活性均無(wú)顯著變化。接種落葉松-楊柵銹菌后,隨著感病程度的增加PPO活性呈規(guī)律性增長(zhǎng),2~5級(jí)發(fā)病程度的PPO活性均明顯高于健康對(duì)照的PPO活性,分別與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)。在5級(jí)發(fā)病程度下,PPO活性達(dá)到峰值27.53 U·g-1(FW)*min,是同時(shí)期對(duì)照組PPO活性4.34 U·g-1(FW)*min的6倍。
圖2 不同感病程度POD含量
2.3 不同發(fā)病程度下葉銹菌對(duì)楊樹(shù)葉片內(nèi)丙二醛(MDA)含量的影響
健康對(duì)照組中MDA含量變化幅度較小,2級(jí)發(fā)病程度MDA含量達(dá)到峰值6.34μmol·g-1(FW),最大變化量為0.96μmol·g-1(FW)(圖3)。感病組中,接種落葉松-楊柵銹菌后均引起MDA含量一定范圍內(nèi)的增加或降低。感病初期,MDA含量急劇上升,并在2級(jí)發(fā)病程度下達(dá)到最大值為7.87 μmol·g-1(FW),比健康對(duì)照組增幅28.6%;3級(jí)發(fā)病程度下,MDA含量略有下降,但仍維持在較對(duì)照高的水平上;4級(jí)發(fā)病程度下,MDA含量下降至5.53μmol·g-1(FW),明顯低于對(duì)照;5級(jí)發(fā)病程度下,MDA含量達(dá)到最低值3.90μmol·g-1(FW),比健康對(duì)照組降低33.6%。
圖3 不同感病程度MDA含量
2.4 不同發(fā)病程度下葉銹菌對(duì)楊樹(shù)葉片內(nèi)葉綠素(Chl)含量的影響
接種落葉松-楊柵銹菌后,不同感病時(shí)期內(nèi)青楊葉片組織中葉綠素含量均呈下降趨勢(shì),分別與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)(圖4),說(shuō)明病原菌的侵入影響了植株葉片內(nèi)葉綠素的合成,降低了植株的光合作用,從而影響了植株的正常生長(zhǎng)。2級(jí)發(fā)病程度下,植株葉片內(nèi)葉綠素含量驟降,比健康對(duì)照組降低15.1%;3~5級(jí)發(fā)病程度下,葉綠素含量下降趨勢(shì)較為平穩(wěn),始末變化量為124.60 mg·g-1(FW)。
圖4 不同感病程度葉綠素含量
2.5 生理指標(biāo)與感病程度的相關(guān)性
將接種落葉松-楊柵銹菌后的各生理指標(biāo)因子的平均值與感病程度進(jìn)行相關(guān)性分析(表2),其中POD活性與感病等級(jí)達(dá)到顯著水平(P<0.05);PPO活性與感病程度也呈顯著相關(guān)(P<0.01),且兩生理指標(biāo)與抗病性密切正相關(guān);而葉綠素含量與感病等級(jí)成顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。此外,MDA含量與感病程度沒(méi)有達(dá)到顯著水平,即MDA與感病程度不具有相關(guān)性。1-3級(jí)發(fā)病程度下,各生理指標(biāo)的變化幅度較為明顯,而在4-5級(jí)發(fā)病程度下,各生理指標(biāo)變化量趨于平緩,說(shuō)明健康青楊葉片受病原菌侵染后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)影響葉片組織的生理代謝,從而改變?nèi)~片組織內(nèi)POD、PPO酶活性,以及葉綠素的含量。
表2 生理指標(biāo)與感病等級(jí)相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between physiological indices and infection index
自從1958年第1篇與植物病原菌侵染有關(guān)的植物過(guò)氧化物酶論文發(fā)表以來(lái),利用抗性酶檢測(cè)植物抗性強(qiáng)弱已經(jīng)成為研究的新熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者研究表明:過(guò)氧化物酶(POD)的活性變化與植物抗性具有密切關(guān)系[15]。POD是植物保護(hù)酶系的重要保護(hù)酶之一,具有快速有效的清除植物組織體內(nèi)多余活性氧自由基的作用[16]。本試驗(yàn)中接種落葉松-楊柵銹菌后POD活性呈現(xiàn)梯度增長(zhǎng),5級(jí)發(fā)病程度下達(dá)到峰值,這與潘建菁[17]等人對(duì)青枯菌侵染煙株后其體內(nèi)POD活性的變化的研究結(jié)果相似,說(shuō)明健康青楊葉片受到病原菌侵染后破壞了葉片組織內(nèi)的活性氧自由基平衡,導(dǎo)致寄主葉片組織內(nèi)的自由基和過(guò)氧化物含量增多,寄主需要大量POD快速有效的清除葉片組織內(nèi)多余的代謝物質(zhì),因此在感病初期和中期POD含量驟升,隨著感病程度的增加,POD含量逐漸呈現(xiàn)梯度增長(zhǎng),并在5級(jí)發(fā)病程度下達(dá)到最大。此外,POD活性與感病等級(jí)的相關(guān)性分析表明:POD活性與感病等級(jí)達(dá)到顯著水平(P<0.05),并與抗病性密切正相關(guān),這也與李華琴[18]對(duì)小麥抗、感品種接種菌種后葉片的POD活性變化結(jié)果相一致,說(shuō)明在一定程度上POD可以看作是植株內(nèi)部病變的“生化癥狀”[19],植株葉片組織內(nèi)POD活性的變化可以作為檢測(cè)和鑒定楊樹(shù)抗葉銹病的重要指標(biāo)之一。
多酚氧化酶(PPO)活性的變化是植物受病原菌侵染后的一種防御性反應(yīng),它可氧化體內(nèi)酚類物質(zhì),形成對(duì)病原微生物具有更高毒性的醌類物質(zhì),限制病原細(xì)菌的進(jìn)一步擴(kuò)展,從而抑制病原菌葡聚糖酶活性[20]。沈業(yè)壽[21]等認(rèn)為PPO活性的增加直接與品種的抗病性成正比。本研究結(jié)果表明:接種落葉松-楊柵銹菌后,隨著感病程度的增加PPO活性呈規(guī)律性增長(zhǎng),并與感病等級(jí)呈顯著正相關(guān)(P<0.01),這與徐建華[22]等對(duì)多酚氧化酶的活性變化與魔芋的抗病性的研究結(jié)論相一致。結(jié)合王潤(rùn)華[23]、張建軍[24]、宋從鳳[25]等人的研究可推測(cè)當(dāng)病原菌侵染寄主植物時(shí),多酚氧化酶與底物接觸把酚類物質(zhì)氧化成對(duì)病原菌毒性更強(qiáng)的醌(或其衍生物),而醌對(duì)病原菌有毒殺性,會(huì)引起植物體內(nèi)多酚氧化酶活性的升高,對(duì)植株自身起保護(hù)作用,因而PPO活性與植物的抗病性呈正相關(guān)[26]
丙二醛(MDA)是機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化的最終產(chǎn)物之一,在一定程度上可反映植物受氧化傷害的程度[27]。大量研究也表明:MDA在植物體內(nèi)的含量與植物細(xì)胞膜系統(tǒng)的變化具有相關(guān)性,當(dāng)植物體內(nèi)的MDA含量超過(guò)一定的閾值植物膜系統(tǒng)將會(huì)遭到破壞[28]。2級(jí)發(fā)病程度下,葉片內(nèi)MDA含量急劇上升,比健康對(duì)照增長(zhǎng)28.6%,結(jié)合何開(kāi)躍[29]等的研究可以推測(cè)感病初期植物葉片生物膜功能遭到破壞或喪失,通透性損傷,自由基過(guò)多,導(dǎo)致MDA大量累積。隨著感病程度的增加,POD活性增強(qiáng),使得膜系統(tǒng)多余的自由基得到轉(zhuǎn)化,植物細(xì)胞膜系統(tǒng)生理活動(dòng)正常,MDA含量逐漸恢復(fù)平衡。盡管MDA含量與感病程度沒(méi)有達(dá)到顯著相關(guān)水平,但是仍可以通過(guò)測(cè)定接種病原菌后MDA含量的變化來(lái)了解膜脂過(guò)氧化的程度,以間接測(cè)定膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性[30]。
近些年來(lái),人們對(duì)葉綠素的研究已經(jīng)不再局限于光合作用,而是將葉綠素含量變化與植物的抗病機(jī)制聯(lián)系起來(lái)[31]。大部分學(xué)者認(rèn)為有關(guān)葉綠素與植物抗病性的關(guān)系,在不同植物與病原菌的相互作用中表現(xiàn)不同[32]。本研究接種落葉松-楊柵銹菌后,不同感病等級(jí)下青楊葉片組織中葉綠素含量均呈下降趨勢(shì),隨著感病等級(jí)的增加,葉綠素含量逐漸減少,呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì),說(shuō)明葉綠素含量的變化與青楊抗病反應(yīng)有關(guān),這與徐秉良[33]等的研究苜蓿對(duì)白粉病的抗性與葉綠素含量的關(guān)系中的結(jié)論不謀而合,說(shuō)明病原菌的侵入破壞了植物體的葉綠素的生物合成。換而言之,在某種程度上植物組織葉綠素的含量變化可以反應(yīng)植物抗病性的高低,研究葉綠素的含量變化對(duì)于預(yù)測(cè)植物抗病性具有一定的理論和實(shí)踐意義。
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Effects of Poplar Leaf Rust on the Physiological M etabolism of Populus cathayana under Different Disease Degrees
QIN Qiong WEIShu-fang DU Ke-yun
(Bureau of Agriculture and Forestry,Quxian 635200,Sichuan,China)
Pot cultivation experiments were used to study the effects of Melampsora larici-populina on the physiologicalmetabolism of Populus cathayana under different disease degrees,specifically on the activities of its POD,PPO enzymes,and the contents of its MDA and Chlorophyll.The results showed that the changes of physiological indexes of poplarswere closely related with their disease degree.After inoculation with M.larici-populina and with the increasing of disease degrees,POD activity showed a gradient growth and reached itsmaximum value at the end;As compared with the control groups,PPO activity increased regularly,and there were significant differences with the control(P<0.01);To chlorophyll content,it decreased significantly in the whole process;While the MDA content decreased slowly after a rapidly increase,and it peaked in themid susceptible period.The correlation analysis of physiological indexes and disease degrees showed that the activities of POD and PPO were positively related to the disease degree(P<0.05;P<0.01);And the chlorophyll content was negatively related to it(P<0.01);and there was no significant correlation between MDA content and disease degree.
Poplar,Leaf rust,Physiologicalmetabolism,Enzymatic activity
S763
A
1003-5508(2016)06-00-0
10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.06.019
2016-09-08
秦 瓊(19 -),。
doi:10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.06.020