根腐線蟲脅迫對不同抗性苧麻品種根系生長發(fā)育的影響

周倩文，全芮萍，王薇，劉純，李赟，佘偉，楊瑞芳，崔國賢

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所，湖南 長沙 410128)

苧麻屬蕁麻科苧麻屬，是一種多年生宿根性草本纖維植物[1]。苧麻在國外被稱為“中國草”[2]，是我國特產(chǎn)的優(yōu)良天然纖維作物[3]。苧麻纖維具有吸濕、透氣、抗菌等特性[4－5]，苧麻織物同時(shí)具有良好的穿著服用性能，深受世界各國人民的喜愛。目前，我國的苧麻種植面積和原麻產(chǎn)量占世界的90%以上[6]。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，苧麻多功能用途被不斷開發(fā)，應(yīng)用價(jià)值也隨之?dāng)U大，其產(chǎn)業(yè)朝著纖用[7]、飼用[8]、水土保持[9]、土壤修復(fù)[10－11]等多方面綜合利用的方向發(fā)展，與人類生活息息相關(guān)。

苧麻根腐線蟲病與苧麻花葉病、苧麻白紋羽病并列為苧麻三大病害，嚴(yán)重危害苧麻生長。大量研究表明，咖啡短體線蟲為苧麻根腐線蟲病的主要病原線蟲[12－14]，該線蟲通過侵染植物根部，使主根部大面積腐爛從而造成植物根系功能喪失，導(dǎo)致植物水分與營養(yǎng)吸收受阻[15]，影響植株正常生長。苧麻根腐線蟲病主要危害苧麻地下根莖，以肉質(zhì)根莖受害最重，同時(shí)也侵害其他根莖，破壞根的皮層部分[16]。苧麻根腐線蟲病是引起苧麻麻蔸腐爛從而導(dǎo)致減產(chǎn)的一個(gè)主要原因，給苧麻產(chǎn)業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前對根腐線蟲脅迫下苧麻根系生理研究鮮有報(bào)道，本研究初步探討接種根腐線蟲后不同苧麻品種間根系酶活性、根系次生代謝物、根系氨基酸含量的差異，以期為抗線蟲病害苧麻品種的科學(xué)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

結(jié)合前人研究選取不同抗性品種[17]，其中感病品種為長沙青葉麻，抗病品種為華苧5號和華苧4號，材料來源于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所苧麻種質(zhì)資源圃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤盆栽試驗(yàn)于2021年4—11月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家麻類陽光辦智能溫室(北緯28°10′51″，東經(jīng)113°04′38″)進(jìn)行。2021年4月扦插育苗，同年5月選取生長良好、大小相當(dāng)?shù)钠r麻幼苗移栽至已澆足水分的盆中(盆高29 cm，底部直徑19 cm，頂部直徑25 cm)，每盆移栽2株，每個(gè)處理重復(fù)5次。

采用改進(jìn)蔗糖密度浮選法[18]分離土壤中的根腐線蟲。同年8月待移栽的苧麻幼苗破稈后，在幼苗根部土壤中將分離的線蟲接種液進(jìn)行澆蔸處理，每盆接種150頭，以不接種根腐線蟲作為對照；同年11月收獲期挖取麻蔸測定各處理根系情況，測定各處理的鮮根重、根冠比、根系抗氧化酶活性、根系代謝物及其根系氨基酸含量。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

線蟲取樣:在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所種質(zhì)資源圃挖取具有根腐線蟲病癥狀的苧麻根際土壤。

地上部鮮重:將植株地上部剪下后稱重；地上部干重:將剪下的植株地上部置于烘箱中，在105℃下殺青，75℃烘干至恒重，再用萬分之一電子天平稱量；根系鮮重:將植株根系挖出，用清水洗凈，吸干根系表面水分后稱重；根系干重:將吸干表面水分的根系置于烘箱中，在105℃下殺青，75℃烘干至恒重，再用萬分之一電子天平稱量；根冠比:根系干重與地上部干重的比值。

丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、綠原酸含量測定使用索萊寶(北京)生物科技有限公司試劑盒，總酚含量、木質(zhì)素含量測定使用上海優(yōu)選生物科技有限公司試劑盒，具體測定步驟參照各試劑盒使用說明書。氨基酸含量用氨基酸自動(dòng)分析儀測定，由上海優(yōu)選生物科技有限公司測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 26.0系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Oringin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根腐線蟲脅迫對苧麻根系鮮重、根冠比的影響

根系是苧麻吸收水分和營養(yǎng)元素的主要器官，同時(shí)也是合成多種激素、氨基酸和有機(jī)酸的重要場所。由表1可知，根腐線蟲侵染能夠降低植株根系鮮重，與CK相比，根腐線蟲脅迫下長沙青葉麻、華苧5號、華苧4號根系鮮重分別下降了88.94%、70.21%、23.77%，其中華苧4號下降率最低，表明其抗根腐線蟲能力最強(qiáng)。

表1 根腐線蟲脅迫下不同苧麻品種根系鮮重、根冠比統(tǒng)計(jì)分析Table1 Statistical analysis of root fresh weight/root－shoot ratio among different ramie varieties under root－lesion nematode stress

根冠比是植物光合作用產(chǎn)物分配的重要體現(xiàn)。由圖1可知，抗病、感病品種間根冠比差異明顯，與接種前相比，長沙青葉麻根冠比略有下降，而華苧5號、華苧4號則小幅增加。

圖1 根腐線蟲脅迫下不同苧麻品種根系鮮重、根冠比差異分析Fig.1 Difference analysis of root fresh weight/root－shoot ratio among different ramie varieties underroot－lesion nematode stress

2.2 根腐線蟲脅迫對苧麻根系丙二醛含量的影響

植物丙二醛(MDA)含量可以反映細(xì)胞膜脂過氧化程度，苧麻根系MDA含量越高，說明根系細(xì)胞膜脂的過氧化程度越高，細(xì)胞膜受到的傷害越嚴(yán)重。由圖2可知，接種后長沙青葉麻根系MDA含量顯著高于華苧4號、華苧5號。根腐線蟲侵染苧麻根系后，不同抗性品種根系MDA含量增加幅度不同:根系MDA含量最高的苧麻品種為長沙青葉麻，MDA含量為195.68 nmol/g，同CK相比增加了117.42%；華苧4號MDA含量為129.36 nmol/g；根系MDA含量最低品種為華苧5號，其MDA含量為120.53 nmol/g。說明根腐線蟲脅迫下華苧5號根系細(xì)胞膜脂的過氧化程度低，細(xì)胞膜受到的傷害低于長沙青葉麻、華苧4號。

圖2 根腐線蟲脅迫對苧麻根系丙二醛(MDA)含量的影響Fig.2 Effects of ramie root－lesion nematode stress on malondialdehyde MDA in ramie roots

2.3 根腐線蟲脅迫對苧麻根系過氧化物酶活性的影響

過氧化物酶(POD)通過有效清除過剩自由基來提高植物的抗逆性。由圖3可知，根腐線蟲脅迫下3個(gè)不同抗性苧麻品種根系POD活性達(dá)到顯著差異，與CK相比均表現(xiàn)為上升，華苧4號明顯高于華苧5號及長沙青葉麻。華苧4號根系POD活性最強(qiáng)，為3631.33 U/g，與CK相比增加206.00%；長沙青葉麻根系POD活性為2025.80 U/g，與CK相比增加15.00%，增幅最小。

圖3 根腐線蟲脅迫對苧麻根系過氧化物酶(POD)活性的影響Fig.3 Effect of root－lesion nematode disease on changes of root Peroxidase POD activity in different ramie varieties

2.4 根腐線蟲脅迫對苧麻根系過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫酶(CAT)是植物體內(nèi)主要的抗氧化酶，能夠抑制活性氧自由基對機(jī)體的傷害，使植物保護(hù)系統(tǒng)免受傷害。由圖4可知，根腐線蟲侵染苧麻根系后，華苧5號CAT活性顯著高于華苧4號、長沙青葉麻，各抗性品種根系CAT活性均呈上升趨勢，但提升的幅度不同，長沙青葉麻CAT活性增長量低于華苧5號、華苧4號。與CK相比，接種后長沙青葉麻CAT活性上升了407.67 U/g，華苧5號CAT活性增長量最高，其CAT活性上升了1398.13 U/g，是長沙青葉麻CAT活性增長量的3.43倍。說明在根腐線蟲脅迫下根系CAT活性敏感度較強(qiáng)的苧麻品種為華苧5號。

圖4 根腐線蟲脅迫對苧麻根系過氧化氫酶(CAT)活性的影響Fig.4 Effect of hydrogen peroxide stress on CAT activity of ramie root－lesion nematode

2.5 根腐線蟲脅迫對苧麻根系次生代謝物含量的影響

酚類物質(zhì)是植物最重要的次生代謝物，具有抗氧化、清除自由基、抵御生物和非生物脅迫作用。由表2可知，接種前抗病、感病品種的總酚含量基本接近，接種后各個(gè)品種的總酚含量都表現(xiàn)為增加，但抗病品種總酚含量的增加明顯高于感病品種，兩個(gè)抗病品種華苧5號、華苧4號的總酚增加量分別為9.13 mg/g(鮮重)和6.22 mg/g(鮮重)，長沙青葉麻的總酚增加量為2.21 mg/g(鮮重)，若以接種后的增加量占接種前的百分?jǐn)?shù)表示，抗病品種的增量為感病品種的3～5倍。

木質(zhì)素存在于植物細(xì)胞次生壁組與胞間層的中間，植物對病原物侵染產(chǎn)生抗性反應(yīng)的一種特性表現(xiàn)為木質(zhì)素含量的增加。對抗病、感病品種根系的木質(zhì)素含量測定結(jié)果表明，接種前植株根系木質(zhì)素含量無明顯變化，接種后，抗病、感病品種的木質(zhì)素含量變化明顯不同，抗病品種華苧5號和華苧4號分別增加39.00%和48.97%，而感病品種長沙青葉麻則降低15.35%。

綠原酸是總酚類物質(zhì)的組成成分之一，總酚類物質(zhì)對線蟲的影響主要通過綠原酸發(fā)揮作用。由表2可知，綠原酸含量的變化與總酚含量的變化較相似，接種根腐線蟲后，抗病、感病品種綠原酸含量都明顯上升，長沙青葉麻增加105.29%，而抗病品種華苧5號、華苧4號則分別增加214.58%和195.58%。從接種后抗病、感病品種的綠原酸絕對含量來看，抗病品種絕對含量分別為35.61 mg/g(鮮重)和32.13 mg/g(鮮重)，顯著高于感病品種。

表2 根腐線蟲侵染后苧麻根系次生代謝物含量變化Table 2 Changes of secondary metabolites in ramie roots after being eroded by root－lesion nematode

2.6 根腐線蟲脅迫對苧麻根系氨基酸含量的影響

表3為苧麻根系氨基酸含量的測定結(jié)果。測試樣品中共檢測出17種氨基酸的16種，胱氨酸未被檢測到，與未接種相比，接種后抗病、感病苧麻品種根系氨基酸總量都表現(xiàn)為增加，16種氨基酸均有不同程度的變化。感病品種氨基酸含量增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗病品種，感病品種長沙青葉麻氨基酸總量增加了52.72%，而兩個(gè)抗病品種分別增加16.53%、13.54%，感病品種氨基酸增量為抗病品種的3～4倍。根據(jù)抗病苧麻品種根系氨基酸含量變化差異，將16種氨基酸分為以下6類:第一類為天門冬氨酸、蛋氨酸、組氨酸和丙氨酸，接種根腐線蟲后，感病品種長沙青葉麻的四種氨基酸含量急劇增加，分別增加了111.40%、104.30%、87.06%和62.38%，而抗病品種華苧4號氨基酸含量只有輕微增加，華苧5號氨基酸含量呈降低趨勢；第二類為蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸和異亮氨酸氨，其氨基酸變化與氨基酸總量的變化一致，接種后抗病、感病品種的含量都表現(xiàn)為增加，但感病品種增加的幅度明顯高于抗病品種；第三類為苯丙氨酸，接種后抗病、感病品種苯丙氨酸的含量都有較大程度的增加，抗病品種增幅大于感病品種，這可能與苯丙氨酸參與苯丙烷類代謝有關(guān)，因此，推測與苧麻根腐線蟲抗性呈正相關(guān)；第四類為亮氨酸、甘氨酸以及酪氨酸，這三種氨基酸的變化與苯丙氨酸正好相反，接種根腐線蟲后，感病品種的亮氨酸含量增加58.93%，而抗病品種的亮氨酸含量分別增加了4.64%和8.39%，甘氨酸的含量在感病品種中分別增加42.36%，而抗病品種卻降低了16.58%、14.65%，抗病品種的酪氨酸含量增加21.76%～26.08%，感病品種的含量增加59.84%；第五類為賴氨酸、纈氨酸和脯氨酸，在抗病、感病品種間其無明顯的變化，推測與品種的抗性無明顯關(guān)系；第六類為精氨酸，其含量在感病品種接種根腐線蟲前后無明顯變化，但在抗病品種中卻未檢測到。

表3 根腐線蟲侵染后苧麻根系氨基酸含量變化Table 3 Changes of amino acid content in ramie roots after being eroded by root－lesion nematode

3 討論

苧麻根腐線蟲可侵染苧麻根部組織，導(dǎo)致苧麻根系出現(xiàn)壞死甚至腐爛，此外，根腐線蟲侵染根系造成的傷口有利于植物病原菌侵入，從而加重對苧麻的危害。植物根系具有錨定植株、吸收和運(yùn)輸土壤中的水分和養(yǎng)分、合成和貯藏營養(yǎng)物質(zhì)等功能，發(fā)育良好的根系是植物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)。只有苧麻根系生長發(fā)育狀況良好，苧麻地上部分才能正常生長。本試驗(yàn)中，根腐線蟲脅迫下3個(gè)不同抗性苧麻品種鮮根重均有下降，且品種間存在差異，抗性越高線蟲病害對其影響越小，其中華苧4號根鮮重降幅最小，為23.77%。根冠比是植物根系與冠層之間的干重之比[19]，反映了光合產(chǎn)物的分配情況。地上部與地下部之間的物質(zhì)分配不僅影響單株植物的生長發(fā)育，還影響到植物的功能與結(jié)構(gòu)。根部病蟲害加重，根系活力明顯降低，從而使苧麻根系的吸收、合成能力降低，影響了植株的生長發(fā)育，使苧麻根系、冠部的干物質(zhì)積累量均低于對照。本研究發(fā)現(xiàn)在根腐線蟲脅迫下感病品種長沙青葉麻的根冠比下降為65.79%，表明其抗根腐線蟲能力最弱。

植株體內(nèi)過量的活性氧會(huì)引起細(xì)胞膜脂過氧化，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致MDA積累，破壞細(xì)胞膜完整性，進(jìn)而引起一系列的生理生化紊亂，植物的正常生命活動(dòng)受阻。MDA是細(xì)胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一。本研究結(jié)果表明，根腐線蟲脅迫下華苧5號根系細(xì)胞膜的氧化程度低，細(xì)胞膜受到的損傷較小。為了使細(xì)胞免受ROS的潛在傷害，植株根系在受到病害脅迫的過程中能夠自發(fā)產(chǎn)生防御系統(tǒng)，即抗氧化酶活系統(tǒng)，抗氧化酶主要有SOD、POD以及CAT，線蟲脅迫下3個(gè)不同抗性品種根系POD活性、CAT活性增加，這與前人研究一致，且抗病品種活性增加高于感病品種，反映出抗病麻株在受到線蟲侵染后根部的防御反應(yīng)比感病麻株快，從而抑制了病菌的進(jìn)一步入侵，說明不同苧麻品種的抗病性與苧麻根腐線蟲脅迫下苧麻根內(nèi)POD、CAT酶活性的變化密切相關(guān)。

次生代謝物是植物代謝的最終產(chǎn)物，是植物抗病蟲的主要生化基礎(chǔ)?？偡蛹熬G原酸都屬于酚類物質(zhì)，酚類物質(zhì)是植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能上非常重要的有機(jī)物，能夠密切反映出植物病害抗病、感病程度，酚類物質(zhì)增加越高抗蟲性越強(qiáng)。本研究結(jié)果表明:線蟲脅迫下抗病品種的總酚、綠原酸含量均高于感病品種，說明在線蟲脅迫下，抗病品種為了抵御線蟲侵染增加酚類物質(zhì)的分泌，從而緩解逆境對植物的傷害；木質(zhì)素木質(zhì)化組織十分緊湊，大分子物質(zhì)不能通過組織，因此木質(zhì)素能夠抵抗微生物的侵襲，從而提高植物抗病能力。木質(zhì)素代謝途徑與植物體內(nèi)參與多種生理活動(dòng)的其他次生物質(zhì)的代謝途徑相互交叉，因此，木質(zhì)素的含量與植物抗病、抗寒、抗金屬脅迫等逆境脅迫響應(yīng)機(jī)制密切相關(guān)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，抗病品種木質(zhì)素含量增加，感病品種則相反，這可能是根腐線蟲脅迫下抗病品種根系內(nèi)存在木質(zhì)化作用。

氨基酸是酶和蛋白質(zhì)的基本構(gòu)成單位，參與形成新的蛋白和新的酶類，還可以作為營養(yǎng)物質(zhì)被侵入線蟲攝取，已有研究表明，不同植物根系氨基酸種類與數(shù)量有明顯差異[25]，與植株抗病性有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，在抗病品種中未檢測到精氨酸，已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，感病大豆品種根系主要氨基酸為精氨酸[26]，猜測其存在更有利于線蟲的侵染。李亞莉等[27]研究發(fā)現(xiàn)，感病品種根部氨基酸含量高于抗病品種。張海平等[28]研究發(fā)現(xiàn)，與不接種對照相比，接種后大豆根系氨基酸總量都表現(xiàn)為增加，且易感品種增幅大于抗性品種，與本研究結(jié)果一致。本研究表明，感病品種氨基酸含量及增幅均高于抗病品種，說明抗病品種可以通過調(diào)節(jié)自身營養(yǎng)成分，導(dǎo)致某些氨基酸含量不平衡，阻礙線蟲生長，達(dá)到抗性結(jié)果。

4 展望

苧麻是我國特色經(jīng)濟(jì)作物，各種病原菌和害蟲直接影響到苧麻生長發(fā)育，造成原麻產(chǎn)量和纖維質(zhì)量下降，不利于苧麻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

目前對于苧麻根腐線蟲病有關(guān)報(bào)道較少，尤其在根腐線蟲脅迫下根系生理指標(biāo)變化等方面。本研究發(fā)現(xiàn)根腐線蟲脅迫下苧麻不同抗性品種根系次生代謝物、氨基酸種類及其含量存在差異，可通過該方法選育抗根腐線蟲病害優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源。

當(dāng)前苧麻病害防治方法較為單一，多為化學(xué)防治或者物理防治。我們應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)深入研究綜合防治措施，研發(fā)更加科學(xué)、實(shí)用、高效的技術(shù)與方法。病害作為影響苧麻生產(chǎn)的一大隱患，要充分重視其給麻類產(chǎn)業(yè)帶來的危害，加強(qiáng)防治與控制，防患于未然。

苧麻病害防治的重點(diǎn)在于預(yù)防，可以通過以下幾個(gè)方面:堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)，將防與治相結(jié)合，推廣全程綠色防控技術(shù)模式，綜合實(shí)施農(nóng)業(yè)防治、物理防治、生物防治、生態(tài)調(diào)控，科學(xué)合理安全使用高效低毒綠色防控技術(shù)；培育出抗性高、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、綜合性狀好的新品種，利用現(xiàn)代生物基因育種技術(shù)，培育出更加穩(wěn)定、高產(chǎn)的抗病品種；利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，基于電磁輻射的高光譜技術(shù)與圖像處理相結(jié)合，建立完善病害監(jiān)測體系，使病害管理工作更加模式化、信息化。如劉爽[29]等基于高光譜技術(shù)對大豆病害脅迫進(jìn)行分類與診斷，及時(shí)有效地防治病害，減少產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。