紅光處理西瓜植株對南方根結線蟲抗性的影響

趙仁宗，鄧 云，朱迎春，孫德璽，劉君璞

（中國農業科學院鄭州果樹研究所 鄭州 450009）

西瓜是一種重要的園藝經濟作物，其甘甜爽口，是夏季消暑解渴的佳品，深受廣大群眾喜愛。中國是西瓜生產、消費大國，2016年全國種植面積188.15萬hm2，總產量達7 904.31萬t[1]，栽培面積和產量均居世界首位。隨著西瓜設施栽培面積的不斷增加，多種病蟲害發生也日趨嚴重，其中根結線蟲已成為危害西瓜生產的重要病害[2]，特別是種植結構單一、長期種植瓜類作物的地塊，根結線蟲的發生更嚴重，給瓜農造成巨大經濟損失。常規的化學防治手段因其高毒高殘留、對人畜危害嚴重而被限制使用，所以尋求一種高效、環保的根結線蟲防治方法已迫在眉睫。

許多研究表明，紅光在誘導植物抗根結線蟲方面具有重要作用。Islam等[3]報道稱紅光能夠提高擬南芥對根結線蟲的抗性，明顯減少擬南芥根部的根結數量；Yang[4]的研究也表明，紅光誘導番茄對根結線蟲的系統抗性，這與水楊酸（SA）和茉莉酸（JA）防御途徑有關。在西瓜根結線蟲的防治中運用紅光處理的研究還未見報道，筆者以對南方根結線蟲抗性水平不同的西瓜種質為試材，研究了接種南方根結線蟲后，紅光夜間補光對西瓜植株相關指標的影響，以期為西瓜病害防治提供新的方法和思路，并為人工光源在農業設施栽培中的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試西瓜材料為‘中科1號’和‘紅籽瓜’，前者對南方根結線蟲表現為感病，后者表現為抗病，均由中國農業科學院鄭州果樹研究所二倍體西瓜課題組提供。南方根結線蟲由南京農業大學植物保護學院李紅梅教授提供，在感病番茄‘西粉902’上保存并擴繁。南方根結線蟲的收集與接種參照李可等[5]的方法。

1.2 紅光夜間補光處理

試驗于2017年10月在鄭州果樹研究所智能光照培養箱里進行。西瓜種子在營養缽（直徑10 cm，高10 cm）中播種，植株長到4～5片真葉時進行紅光處理，設置白天（8:00—20:00）溫度30℃，白光由飛利浦冷光源熒光燈（220 V，15 W）提供，調節光源與幼苗的距離使光強保持在 150 μmol·m-2·s-1；夜間溫度 25 ℃（20：00—次日 8：00），照射紅光，光強為50 μmol·m-2·s-1。單波紅光光源為 LED 燈（220 V，15 W），由深圳市桑恩格瑞光照技術有限公司提供。2個西瓜材料接種南方根結線蟲后，夜間進行紅光處理，處理時間為0、1、2和3周，不同處理結束后恢復至正常光照環境進行培養，統一在第3周后進行相關指標的測定。處理設置如下：A1：對照，‘中科1號’正常植株（未接種南方根結線蟲、未經過紅光處理）；A2：‘中科1號’接種南方根結線蟲，并經過紅光夜間補光；A3：‘中科1號’僅接種南方根結線蟲，未經紅光夜間補光；A4：‘中科1號’未接種南方根結線蟲，僅紅光夜間補光。B1：對照，‘紅籽瓜’正常植株；B2：‘紅籽瓜’接種南方根結線蟲，并經過紅光夜間補光；B3：‘紅籽瓜’僅接種南方根結線蟲，未經紅光夜間補光；B4：‘紅籽瓜’未接種南方根結線蟲，僅紅光夜間補光。每個處理3次重復，每次重復5株。

1.3 紅光誘導抗性的評價指標

1.3.1 根結數統計及根結指數的計算 接種南方根結線蟲3周后對西瓜根系中根結數量進行統計，并計算根結指數。參照王志偉等[6]的方法，根結指數GI=根結數/根鮮質量。

1.3.2 植株生物量測定 將西瓜根小心拔起，流水沖洗將根洗凈，吸水紙吸干多余水分，分別測定根、莖鮮質量；用直尺測量西瓜株高。

1.3.3 西瓜根系酶活性的測定 接種南方根結線蟲后0、1、2和3周分別取樣，進行西瓜根系苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、超氧化物歧化酶（SOD）等酶活性（以鮮質量計）的測定。PAL、POD、PPO活性測定使用南京建成生物工程研究所生產的酶活測定試劑盒（產品編號分別為：A137、A084-3、A136），PAL 活性測定以每g組織在每mL反應體系中每min使290 nm吸光度變化0.01為1個酶活力單位。POD活性測定以每g組織在每mL反應體系中每min使420 nm吸光度變化0.1為1個酶活力單位。PPO活性測定以每g組織在每mL反應體系中每min使420 nm吸光度變化0.01為1個酶活力單位。SOD活性測定使用上海碧云天生物技術有限公司生產的酶活測定試劑盒（產品編號為：S0101），SOD活性測定以每g組織在每mL反應體系中每min使450 nm吸光度變化0.1為1個酶活力單位。使用方法均參照試劑盒使用說明，酶活單位用U·g-1·min-1表示。

1.4 統計分析

數據采用Excel 2010進行處理并繪制圖表，采用SPSS 12.0中T檢驗和多重比較分析法對各項指標數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 紅光補光處理對接種根結線蟲西瓜植株生長的影響

西瓜植株接種南方根結線蟲后，正常生長受到嚴重影響。從圖1至圖3可以看出，‘中科1號’植株生長受到的影響比‘紅籽瓜’更明顯，植株株高、地上部鮮質量、根鮮質量等受到的影響均比‘紅籽瓜’大。經紅光夜間補光后，2個西瓜材料的各生長指標均隨著紅光處理時間的增加而增加。‘紅籽瓜’在紅光處理1周后各生長指標即達到正常植株水平，2周或3周后，各生長指標均已超過正常植株水平；而經紅光處理的‘中科1號’植株，在紅光處理的前2周均未達到正常植株水平，直到第3周時才達到并超過正常植株水平。

圖1 紅光對西瓜株高的影響

圖2 紅光對西瓜地上部鮮質量的影響

圖3 紅光對西瓜根鮮質量的影響

2.2 紅光補光處理對南方根結線蟲侵染后的影響

接種過南方根結線蟲的西瓜植株，抗性材料‘紅籽瓜’的根結數明顯少于感性材料‘中科1號’；經過紅光夜間照射后，2個材料的根結數均未隨著紅光照射時間的增加而降低（如圖4所示）。但‘中科1號’的根結指數隨著紅光處理時間的增加而顯著降低，‘紅籽瓜’的根結指數雖然也隨紅光處理時間的增加而降低，但變化幅度遠沒有‘中科1號’的明顯（由圖5所示）。紅光處理3周的‘中科1號’根結指數與未經紅光處理的植株相比降低了65.04%，而‘紅籽瓜’中，紅光處理3周的植株比未經紅光處理的植株降低了36.24%。

圖4 紅光對西瓜根結數的影響

圖5 紅光對西瓜根結指數的影響

2.3 紅光對西瓜根系抗性相關酶的影響

由圖6可知，僅接受紅光照射的處理A4、B4西瓜植株與各自對照（A1、B1）相比，其 PAL、PPO、POD、SOD活性均沒有顯著差異，說明單獨照射紅光對2個西瓜材料的PAL、PPO、POD、SOD活性沒有影響。接種過南方根結線蟲的處理A2、A3、B2、B3的PAL活性均顯著高于各自對照，并隨著南方根結線蟲接種時間的增加而升高，‘紅籽瓜’中PAL活性的變化幅度比‘中科1號’大。接種過南方根結線蟲的西瓜植株經紅光處理后，A2比A3的PAL活性在紅光處理2周和3周后均有明顯升高，但未達顯著差異，但B2在紅光處理2周后顯著高于B3，PAL活性比B3高10.30%，表明紅光處理西瓜植株后，紅光對‘紅籽瓜’感病植株的PAL活性影響比‘中科1號’的影響要大。

接種南方根結線蟲后，2個西瓜材料的PPO活性均是先降低后升高，最后再降低的變化趨勢，在第2周時，‘中科1號’和‘紅籽瓜’的PPO活性均達到最高水平。但紅光照射后并沒有對2個西瓜材料的PPO活性產生明顯的影響。

圖6 紅光處理后西瓜根系PAL、POD、PPO、SOD等酶活性的變化

2個西瓜材料的POD活性在接種南方根結線蟲后，呈先上升后下降的趨勢，均在第1周時達到最高，之后隨著接種時間的增加而持續下降。但‘紅籽瓜’接種南方根結線蟲后POD活性變化幅度比‘中科1號’大。紅光處理后A2的POD活性在第1周和第2周均顯著高于A3，說明紅光處理增加了‘中科1號’感病植株的POD活性。紅光處理后B2的POD活性也在第1周和第2周是顯著升高，且變化幅度高于‘中科1號’。

接種南方根結線蟲后，2個西瓜材料的SOD活性均呈現先下降后上升的趨勢，‘紅籽瓜’中SOD活性下降的幅度比‘中科1號’大。經紅光處理后，A2比A3在紅光處理后1周和2周時SOD活性略有下降，但未達顯著水平；B2比B3在紅光處理后2周和3周時SOD活性顯著降低。說明紅光處對‘中科1號’感病植株的SOD活性的影響不大，但能顯著降低‘紅籽瓜’感病植株中的SOD活性。

3 討論與結論

3.1 紅光對西瓜感病植株生長的影響

南方根結線蟲侵染西瓜根系后，刺激根部形成根結，破壞根細胞正常結構，對水分、營養元素的吸收有不利影響，抑制植株的正常生長發育[7]，導致其株高、地上部鮮質量、根鮮質量等指標均受到影響[8]，這可以從本試驗結果得到進一步證實。南方根結線蟲侵染的西瓜植株，經紅光處理后，‘中科1號’、‘紅籽瓜’形成的根結個數與未經紅光處理的植株相比沒有減少（圖4），但根結指數顯著降低（圖5），且能使2個材料的植株株高、地上部鮮質量、根系鮮質量等都達到或超過正常水平，一方面可能是因為紅光處理誘導某種抗病相關途徑的激活，產生或提高了某種抗性物質的產生，抑制了南方根結線蟲的正常發育，減輕了南方根結線蟲對植株造成的危害，Yang等[8]的研究即證明了紅光能誘導激活番茄植株的水楊酸抗病途徑，涉及活性氧及木質素等的合成；另一方面可能是因為紅光也是光合作用有效的光源，能進行光合作用產生有機物，顯著增加植株根系鮮質量，使根系吸收更多地營養，植株更強壯，使西瓜植株對南方根結線蟲的抵抗能力增強。Islam[3]等研究得出紅光能夠提高擬南芥對根結線蟲的抗病性，顯著減少擬南芥根部的根結數量。與本試驗的研究結果不同，可能是不同植物材料對紅光的敏感程度存在差異，誘導抗性的發生機制不同，導致其誘導抗性的效果有所差異。紅光處理2個西瓜材料對南方根結線蟲的抗性的影響比較中，感病材料‘中科1號’的根結指數降低幅度明顯比‘紅籽瓜’大，但從株高、地上部鮮質量、根系鮮質量等方面的對比中，紅光處理后的‘中科1號’和‘紅籽瓜’的感病植株也都能達到甚至超過正常植株的生長水平，說明紅光對南方根結線蟲病害的西瓜植株有一定的治療效果，能使感病材料‘中科1號’抗性顯著增加，使抗性材料‘紅籽瓜’的抗性更強。本研究結果驗證了Mutar[9]等人的研究結論，紅光處理后能夠提高植物對南方根結線蟲的抗性。

3.2 紅光對西瓜感病植株抗性相關酶活性的影響

根結線蟲侵染不但從表觀上嚴重抑制西瓜的正常生長，而且，線蟲侵染還會引起植株體內一系列生理生化反應。苯丙烷類代謝產生的木質素、酚類物質及類黃酮等次生物質在抵御病蟲害及構成植物支撐系統等方面具有重要意義[10]。PAL是苯丙烷類代謝途徑中的關鍵酶和限速酶，參與抗性相關物質酚類、植保素和木質素等的合成，這些物質與植物的防衛反應及抗病性密切相關。因此，PAL的活性升高，其植株抗性增強[11]。POD能催化單體木質素聚合形成木質素，木質素是苯丙烷代謝的終產物，細胞壁中不同部位的木質素能提高植物組織的機械強度，并能有效抑制病原微生物的生長。POD活性升高被認為是抗性水平提高的表現[12]。本研究中，接種南方根結線蟲后，‘中科1號’和‘紅籽瓜’的PAL、POD活性均升高，‘紅籽瓜’的變化幅度高于‘中科1號’，可能是因為‘紅籽瓜’作為抗南方根結線蟲的野生西瓜材料，遭到南方根結線蟲侵染后，其抗病生理生化反應比感病的‘中科1號’更為劇烈。這與葉德友[11]、徐小明[13]、Ramesh[14]等人的研究結果一致。

PPO是苯丙烷代謝途徑中重要的氧化酶，能將酚類物質氧化轉變為高毒性的醌類物質，對病原物產生毒害作用[15]，因此PPO活性的增加與寄主植物的抗病性密切相關。本研究中，2個材料的PPO活性均呈現先降低后升高再降低的動態變化，這可能與植株體內活性氧清除系統的自我調節有關[16]。

大量的試驗研究表明，植物體內活性氧酶清除系統在抗病過程中活性氧保持動態平衡起著十分重要的作用，PPO、POD與SOD相互協調，共同維持植物體內活性氧生成與清除的相對平衡。Rajasekhar[17]等研究番茄對南方根結線蟲的反應時發現，在感病反應中SOD活性升高,抗病反應中活性下降或或無顯著的變化。本研究結果表明，接種南方根結線蟲后，2個材料的SOD活性在線蟲侵染后均有不同程度的降低，‘紅籽瓜’的降低幅度比‘中科1號’的大。這可能是由于南方根結線蟲侵染后，根系SOD活性下降有利于提高其活性氧水平，而活性氧積累可對南方根結線蟲直接產生毒害，產生對南方根結線蟲的抗性[18]。

經紅光夜間補光處理后，‘中科1號’和‘紅籽瓜’的PAL、POD活性均比未經紅光處理的植株有顯著提高，‘紅籽瓜’中PAL、POD的活性變化幅度均比‘中科1號’大；2個材料的SOD活性均有所降低，同樣也是‘紅籽瓜’中的SOD活性變化幅度比較大。這些變化說明了紅光處理西瓜植株對南方根結線蟲有一定的防治效果，能提高西瓜植株對南方根結線蟲的抗性，使感病材料‘中科1號’對南方根結線蟲產生了一定的抗性，使抗病材料‘紅籽瓜’對南方根結線蟲的抗性進一步增強。PAL、POD、SOD等保護酶類均是苯丙烷類代謝的關鍵酶類，它們相互協調，共同發揮作用，使生物合成的木質素含量增加，加厚了細胞壁，在抵御線蟲侵染的過程中發揮了重要作用。姜愛麗[19]等的試驗表明，藍莓經SA處理能促進其果實苯丙烷代謝進程，使木質素合成增加，有效抵御有害微生物入侵；而Yang[8]、Islam[3]、Wang[20]等的研究證實，紅光能誘導植物的SA代謝途徑增加其對病害的抗性。由此可推斷，本試驗中紅光處理也可能誘導了西瓜植物體內的SA途徑，增加了西瓜對南方根結線蟲的抗病，其具體機制還需進一步試驗驗證。

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