根腐线虫胁迫下苎麻产量及生理活性的变化

朱四元，刘头明，汤清明，唐守伟*，王延周，邓国强

(1.中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205 2.沅江市农业局，湖南 沅江 413100)



根腐线虫胁迫下苎麻产量及生理活性的变化

朱四元1，刘头明1，汤清明1，唐守伟1*，王延周1，邓国强2

(1.中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205 2.沅江市农业局，湖南 沅江 413100)

苎麻又叫“中国草”，是我国特有的纤维兼饲用的经济作物。根腐线虫是苎麻的主要病害之一，对纤维产量造成了严重的损失。本研究以中苎一号为材料，采用盆栽模拟试验，研究了根腐线虫胁迫后苎麻产量性状及生理指标的变化。结果表明，根腐线虫胁迫对苎麻产量影响很大，接种时间越长危害越大；根腐线虫胁迫的时间越长多酚氧化酶(PPO)活性越高，但一定的时间之后增幅差异不显著，过氧化物酶(POD)的变化趋势与多酚氧化酶的变化相似；过氧化氢酶(CAT)活性在不同胁迫时间呈现显著上升的趋势，而超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化呈现先上升后有所下降的变化趋势；苎麻在遭受根腐线虫胁迫后，在次生代谢物最明显的变化是单宁和总酚类化合物含量的增加。本研究明确了苎麻根腐线虫胁迫下产量及生理活性等变化特点，为苎麻根腐线虫的防治及抗性指标的筛选提供理论基础。

苎麻；根腐线虫；生理指标；代谢产物

引言

苎麻是我国特有的以纤维为主要用途的经济作物。中国是苎麻的主要产区,全世界90%以上的苎麻产自我国，在国际上称为“中国草”[1]。在中国苎麻是仅次于棉花的第二大纤维作物。在苎麻生产过程中受到生物和非生物因子的影响会阻碍苎麻的正常生长,这些因子包括干旱、炭疽病及根腐线虫病等[2]。其中根腐线虫是导致苎麻败蔸减产的主要病害,在我国主产区均有发生,常造成严重的经济损失[3]。全世界每年因植物根腐线危害造成的损失达到了125亿美元[4]。它主要是侵入植物的根部阻碍植物从土壤中吸收水分和养分致使植株生长缓慢，慢慢的整个植株就变矮萎缩严重的降低产量和品质。1985年,陈洪福等通过对湖南、湖北、四川、江西等主要麻区调査发现,老麻园平均发病率达83.99%,造成发病中等麻园减产20%-30%,严重者失收[3]。1989年程瑚瑞、高学彪等发现安徽芜湖和萱城等地有苎麻根腐线虫病发生,通过形态学进一步确认咖啡短体线虫为南方苎麻产区的优势病原[5]。2010年至2011年,刘慧玲等在重庆、四川、湖北、湖南、江西等地苎麻主产区进行根腐线虫病调查发现危害最为普遍的是咖啡短体线虫[6]。2014年朱四元等利用接种根腐线虫转录组测序的方法筛选了苎麻抗根腐线虫有关的代谢途径及相关转录因子[7]。有关苎麻侵染根腐线虫后生理活性指标的研究较少，为了全面系统的研究苎麻根腐线虫的危害机理，本研究开展了接种根腐线虫后苎麻产量及生理指标的响应研究，以期探明苎麻根腐线虫胁迫下产量及生理生化的变化特点，为解决苎麻根腐线虫这个生产上的难题提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料

试验材料为“中苎一号”当年生麻，由中国农业科学院麻类所提供。

1.2试验设计

盆栽试验于2013年3-6月在中国农业科学院麻类研究所温室内进行，2013年3月选取在无根腐线虫土壤中繁殖的长势一致的扦插苗栽于盆中，每盆栽2株，一共移栽20盆，待扦插苗生长60天以后在苎麻苗的根部土壤中接种根腐线虫，每盆接种200头。试验设计3个不同处理，对照(CON)：不接种根腐线虫，处理1(inf1)：接种一个月后的为处理1，处理2(inf2)：接种2个月的为处理2。每个处理3次重复，每个重复5株。

1.3测定项目与方法

产量指标测定：对3个不同处理分别选择5-10株测定株高、茎粗、皮厚及单株产量等指标。

多酚氧化酶(PPO)活性的测定，采用邻苯二酚法[8]。

过氧化物酶(POD)活性测定，采用愈创木酚法。

超氧化物歧化酶(SOD)测定参照TAN等方法[9]。

过氧化氢酶(CAT)参照李仕飞等方法[10]测定。

丙二醛(MDA)含量测定，参照林艳等方法[11]。

单宁含量测定参照武予清等方法[12]。

总酚含量测定参照Anesini等方法[13]。

1.4数据分析

利用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 22软件进行数据分析，采用新复极差法进行差异显著性检验。

2　结果与分析

2.1根腐线虫胁迫对苎麻产量相关指标的影响

将根腐线虫接种到苎麻盆钵中，接种30天(inf1)、60天(inf2)后发现与对照(CON)相比长势明显的变缓，植株矮化、叶片开始发黄；根部均有不同程度的发病，随着接种时间的延长发病症状更加明显。测定了接种30天(inf1)、60天(inf2)后苎麻的株高、茎粗、皮厚及单株纤维产量等指标表明，苎麻被根腐线虫侵染后株高、茎粗及皮厚都显著的低于对照并达到了显著差异水平，单株纤维产量也显著的降低。这说明根腐线虫对苎麻的危害是很大的，影响苎麻的正常生长发育，导致产量显著降低。

表1根腐线虫对苎麻产量指标的影响

Tab.1The influence of the root-lesion nematode on the yield of ramie

处理株高(cm)茎粗(mm)皮厚(mm)单株纤维产量(g)CON71.67±4.163a8.07±0.182a0.66±0.024a5.28±0.148ainf152.67±1.201b6.35±0.107b0.51±0.012b3.71±0.018binf248.67±0.881c5.38±0.031c0.45±0.012b3.51±0.015b

注：同列不同小写字母表示0.05水平差异。

2.2根腐线虫对苎麻防御相关酶的影响

多酚氧化酶(PPO)是植物体内广泛存在的一种抗营养酶类，也是反应植物抗性的重要生化指标之一[14-15]。从图1可以看出，接种30天的苎麻叶片PPO含量显著的高于未接种根腐线虫的，然而，接种60天后的根腐线虫后PPO含量差异不是很明显，胁迫的时间越长多酚氧化酶PPO含量越高，但一定的时间之后增幅差异不显著。苎麻在遇到根腐线虫侵染时提高多酚氧化酶PPO的含量来保护苎麻免受根腐线虫的危害。过氧化物酶(POD)是普遍存在于植物体内的一种复杂的防御相关酶，可以由很多生物及非生物的激发子诱导产生[16]。苎麻叶片过氧化物酶(POD)在接种根腐线虫后30天、60天的变化趋势与多酚氧化酶的变化相似，但不同时间段都呈现显著的差异。

图1　根腐线虫对苎麻PPO和POD活性的影响

2.3根腐线虫对苎麻抗氧化相关酶的影响

过氧化氢酶(Catalase, CAT)，是一类广泛存在于动植物和微生物体内抗氧化酶，CAT也可以将 SOD 产生的 H2O2分解为无毒性的 H2O和O2。它受到抑制后会使其底物H2O2含量升高,而H2O2是植物防御病虫侵袭的一个稳定的活性氧类,可作为局部信号介导防御基因的表达。从图2可以看出，接种根腐线虫30天后CAT含量明显上升，对苎麻产生了一定的危害；接种60天后苎麻CAT显著上升，对苎麻的生长发育影响更大，这也说明根腐线虫危害苎麻随着时间的增长危害越来越大。SOD 是活性氧清除反应过程中第一个发挥作用的抗氧化酶,能将具有高毒性、不稳定的自由基转化为毒性较低,相对稳定的H2O2。植物受到病虫害侵袭时会产生大量活性氧,通过提高 SOD 活性来及时清除植物组织中的活性氧,使植物保持正常代谢,提高防御能力。从图2可以看出苎麻叶片SOD活性的变化呈现先上升后有所下降的变化趋势，苎麻根腐线虫接种30天后SOD活性最高，表明此时苎麻叶片产生了大量的活性氧来提高抵御根腐线虫的危害。

图2　根腐线虫对苎麻CAT和SOD活性的影响

2.4根腐线虫对苎麻次生代谢物的影响

次生代谢产物是代谢的终产物，是植物抗病虫的主要生化基础。总酚含量的增加是对植食性昆虫抗性的主要原因，酚类物质含量越高抗虫性越强[15]。由图3可以看出，苎麻接种根腐线虫30天、60天后单宁含量有一定的变化，但变化差异不是很明显。但图3可以看出，苎麻在遭受根腐线虫损伤后，在次生化合物方面一个最明显的变化是酚类化合物含量的增加，接种30天后变化不明显，60天后变化更加显著。

图3　根腐线虫胁迫下苎麻单宁及总酚含量的变化

Fig.3The content of tannic acid and tolal phenols in the ramie leaves stressed on root-lesion nematode

3　讨论

当植物遭受病原生物等胁迫时会发生形态和生理的改变去适应逆境。根腐线虫属于迁移性内寄生线虫，寄生于植物的皮质细胞，发育的任何阶段都可侵入根部，在其移动的过程中，皮层细胞很多会被杀死，由于取食时对植物造成的机械损伤，再加上与真菌、细菌等其他病原相互作用引起严重病害。根腐线虫可以侵入苎麻根部，特别是侵害苎麻的肉质根茎，影响苎麻的正常生长，接虫时间越长根腐率越高，对苎麻造成的影响越大。本研究表明，接种根腐线虫后苎麻产量及其产量指标都明显的降低，尤其是接种60天后产量损失更严重，因为根腐线虫会在根部不断的繁殖数量增加危害就更大，时间长了会导致苎麻植株几乎无法生长，这与前人研究的结果是一致的[3]。因此在农业生产中要在耕作制度上采取措施来减少根腐线虫的危害，或是研制出根治根腐线虫的生物农药来抑制线虫的生长，实现苎麻产量的大丰收。

POD、CAT和SOD是植物体内主要的抗氧化酶，能够清除体内多余的自由基，有效抑制活性氧自由基对机体的伤害[17]，阻止膜脂过氧化，维持膜系的稳定性[18]，使植物保护系统免受伤害[19]，从而提高植物体抗逆能力。本试验中，根腐线虫危害后保护酶中POD、CAT活性均随着接种时间的延长而增加；而SOD活性在接种30天后有所下降，这说明在受到根腐线虫危害后苎麻叶片内3种酶活性变化规律之间存在差异。PPO作为一种防护酶在植物的抗病机制中发挥重要的作用。本研究中苎麻在根腐线虫胁迫下随着接种时间的延长PPO活性有所增加，接种根腐线虫30天后PPO活性明显增高，接种60天后差异不显著，随着接种时间的延长PPO活性未呈现显著的差异，这说明PPO活性与根腐线虫的抗性在接种两个月后相关性不是很大。

单宁为多元酚类物质，可与蛋白质分子结合形成稳定的交叉链，抑制酶的活性，又可与淀粉等络合，影响昆虫对淀粉等营养物质的取食和消化。单宁的含量与抗虫性呈正比，含量越高抗性越好。本研究表明，苎麻叶片单宁含量随着接种根腐线虫时间的延长单宁含量有所增加，但增加不是很明显，可能是由于苎麻为了根腐线虫危害增加了单宁的分泌来抵御虫害。Bélanger等[20]通过组织学及超微结构分析发现，加硅处理的小麦叶片表皮细胞对白粉菌有特殊的防御反应，包括形成乳突，产生胼胝质，并释放酚类物质；酚类物质积累在细胞壁，降解病菌的吸器，从而抵御病菌入侵。本研究发现苎麻叶片总酚含量随着接种根腐线虫时间的延长有所增加，这可能是由于根腐线虫侵染后苎麻为了抵御虫害分泌更多的酚类物质来保护苎麻的正常生长。

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The Yield and Physiological Activity Changes of Ramie in Response to Root-lesion Nematode Infection

ZHU Siyuan1, LIU Touming1, TANG Qingming1, TANG Shouwei1*,WANG Yanzhou1，DENG Guoqiang2

(1.Institute of Bast Fiber Crops, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, China2.The Agriculture Bureau of Yuanjiang City,Yuanjiang 413100,Hunan,China)

Ramie (Boehmerianivea), commonly known as China grass, is one of the most important natural fiber and forage economic crops. The root-lesion nematode is a major ramie disease and causes large fiber yield losses in China annually. In order to investigate ramie yield and physiological responses to root-lesion nematode stress, three groups of potted ramie (RLN-infected for 30 days (Inf1), severe RLN-infected stress (RLN-infected for 60days) and normal control) were tested. The result showed that the root-lesion nematode infection in ramie could lead to great yield loss. An increase of the polyphenol oxidase (PPO) activity was commonly observed in root-lesion nematode stressed, but the differences were indistinctively among them. The change trend of peroxidase (POD) was similar to the changes of polyphenol oxidase (PPO). Catalase (CAT) activity in different stress time presented the significant trend of increasing, and changes of superoxide dismutase (SOD) activity after rising to the change trend of decline. The most significant change was that there was an increase in tannin and total phenols content on secondary metabolites after RLN-infected stress. In this study, it was clear that the yield and physiological activity changes of ramie in response to root-lesion nematode infection, and it provided theoretical basis to prevent the root-lesion nematode and screening of resistance index.

ramie; root-lesion nematode; physiological indexes; metabolites

1671-3532(2016)04-0162-05

2016-04-28

国家自然科学基金(3157102042)；现代农业产业技术体系(CARS-19-E13)

朱四元(1978-)，女，博士，副研究员，主要从事苎麻遗传育种与栽培研究。E-mail：zhusiy2015@126.com。

唐守伟(1958-)，男，研究员，主要从事苎麻遗传育种与栽培研究。E-mail：yjibfc@263.net。

S563.1

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