谷子對黑粉菌侵染的生物學響應

閆志鵬，儀慧蘭，張艾英，郭二虎

（1.山西大學生命科學學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院谷子研究所，山西長治046011）

谷子（Setaria italica（L.）Beauv.），屬禾本科，又稱稷或粟，最早起源于我國，在我國有8 000 多年的種植歷史。由于其具有耐旱、耐瘠、抗逆性強、適應性廣等生物學特性，在我國北方的干旱和半干旱地區廣泛種植[1]。近年來，谷子種植面積不斷增大，各類病害的發生率也隨之增大，對其產量和品質造成嚴重影響[2]。其中，谷子黑穗病是谷子生產中的一種常見病害，按照發病特征分為粒黑穗病、腥黑穗病和黑粉病3 種類型，山西產區內谷子粒黑穗病占絕大部分[3]。谷子粒黑穗病由真菌性病原菌——黑粉菌引發，主要通過種子傳播[4]，傳播的主要途徑為：谷子采收過程中病原菌污染種子，次年播種時隨著種子進入谷田并同時萌發，從而侵入幼苗，在植株體內生長蔓延，最終侵入子房，產生孢子，形成黑穗[5]。

在遭遇病原菌時，植物可依靠自身固有的免疫系統和誘導抗性抵御病原菌侵染。植物能產生多種抗菌物質，病原菌可誘導植物細胞活性氧爆發，介導苯丙烷合成途徑產生較多的類黃酮、木質素、總酚等，使抗氧化酶和病程相關蛋白（PR）表達增強、抗病相關酶（幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶）活性提高，植株獲得系統抗性。有研究表明，谷子感染黑粉菌后，抗病品種體內超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）活性都顯著高于感病品種，表明這些酶活性的增強有助于谷子對黑粉菌的防御[6]。不同品種谷子的遺傳基礎不同，對黑穗病的抗性存在一定差異。但目前關于谷子抗黑穗病的作用機制尚不清楚。

本研究在篩選谷子黑穗病高抗品種冀谷20 和敏感品種長農35 的基礎上，對植株抗病生理過程中次生代謝途徑及其產物量、抗病酶活性及抗病相關基因轉錄進行分析，以期為谷子抗病機制的研究和抗性育種提供試驗依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

連續3 a 田間試驗統計不同谷子品種黑穗病發病率，參照溫琪汾等[7]關于谷子黑穗病抗性水平分級標準，選出對黑粉菌抗性水平差異較大的2 個品種（表1）[8]作為室內試驗供試品種。供試黑粉菌菌種為2017 年采集于試驗田中發病植株的黑穗病菌冬孢子，經揉搓、過篩得到[8]。

表1 供試谷子品種的發病率及抗性水平

1.2 試驗方法

試驗設對照組谷種（CK-J20、CK-C35）未拌菌，拌菌組谷種（I-J20、I-C35）人工拌黑粉菌，對照組與拌菌組同期播種于育苗盆中，于室內（25±2.0）℃培養，相對濕度47%～63%，光照強度≥3 000 lx，光照/黑暗周期為16 h/8 h。待谷子生長至五葉期，取植株地上部分檢測苯丙氨酸解氨酶（PAL）、多酚氧化酶（PPO）、β-1，3-葡聚糖酶和幾丁質酶活性，以及總酚、類黃酮和木質素含量。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 酶活性檢測 取拌菌組與對照組植株地上部分用于酶活測定。PAL 活性參考ROMERO 等[9]的方法進行測定；PPO 活性采用鄰苯二酚比色法進行測定；幾丁質酶活性參考BOLLER 等[10]的方法進行測定；β-1，3-葡聚糖酶活性參考JIANG 等[11]的方法進行測定。

1.3.2 次生代謝產物含量測定 采用Folin 酚法測定總酚含量，總酚的量用每克樣品含有的焦性沒食子酸毫克數（mg/g）表示。采用NaNO2-AlCl3-NaOH比色法測定類黃酮含量，其含量用每克樣品中的蘆丁毫克數表示。參照CHEN 等[12]的方法提取和測定木質素的含量，木質素的量用每克樣品在280 nm處的吸光度表示。

1.3.3 基因表達水平檢測 通過RT-PCR 檢測抗性相關基因（4CL、CCR、CHIB 和WRKY22）與受體蛋白FLS2 的表達水平。以J20 為試驗材料，采用Trizol 法提取總RNA；根據反轉錄試劑盒說明，將2 μg 總RNA 用Oligo（dT18）引物和反轉錄酶混合物轉錄合成cDNA；以cDNA 為模板，谷子Actin 基因作為內參，使用表2 中的基因特異性引物進行PCR擴增。

表2 RT-PCR 引物序列

1.4 數據分析

試驗取每組3 次重復的平均值作為該組的檢測值，使用IBM SPSS 24.0 軟件進行ANOVA 單因素方差分析，并采用Duncan's 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 黑粉菌對谷子幼苗次生代謝的影響

采用室內盆栽試驗，分析高抗品種J20 和高感品種C35 的抗病生理過程，發現谷種拌菌后2 個品種谷子植株地上部分PAL 活性均顯著提高，但是抗病品種J20 的PAL 活性水平顯著高于C35（圖1）。拌菌組與對照組相比，不同抗性品種的酚類物質含量變化趨勢不同，其中，I-J20 的酚類物質含量較CK-J20 顯著升高，而I-C35 總酚含量下降，類黃酮含量保持不變；I-J20 的總酚、類黃酮和木質素含量均顯著高于I-C35（圖2）。結果顯示，谷子在受到黑粉菌侵染后，品種抗性越強，PAL 酶活性增幅越大，酚類物質含量積累越多，由此表明，谷子對黑粉菌的抗性與植株次生代謝途徑激活和產物量積累有關。

2.2 黑粉菌對谷子幼苗PPO 活性的影響

多酚氧化酶活性檢測結果顯示，谷種拌菌組2 個品種的酶活均顯著高于對照組，且I-J20 酶活性比I-C35 整體偏高（圖3），表明谷子幼苗PPO 活性的增加與品種的抗病性和黑粉菌的誘導都有關，谷子PPO 活性增加有利于增強谷子幼苗對黑粉菌的抵抗作用。

2.3 黑粉菌對谷子幼苗抗病相關酶活性的影響

2 個不同抗性品種的谷子，在谷種拌菌后幾丁質酶活性均顯著升高，但不同品種間酶活性無顯著差異；谷種拌菌組β-1，3-葡聚糖酶活性與未拌菌對照組間無顯著性差異，但I-J20 的β-1，3-葡聚糖酶活性顯著高于I-C35（圖4）。結果表明，谷子幼苗幾丁質酶活性與品種的不同抗性沒有直接對應關系，C35 的β-1，3-葡聚糖酶對黑粉菌不敏感，可能與植株對病菌的敏感性有一定關系。

2.4 黑粉菌對谷子幼苗抗性相關基因轉錄水平的影響

基因轉錄分析結果表明，拌菌組中谷子的4 個抗性相關基因（4CL、CCR、WRKY22 和CHIB）和受體蛋白FLS2 都不同程度地轉錄上調（圖5），其中，CHIB 和4CL 分別上調188%和120%，FLS2、CCR和WRKY22 的上調幅度分別為97%，89%和25%。結果表明，以上基因及受體蛋白在谷子抗黑穗病的生理過程中發揮了重要作用。

3 討論

病原菌侵入植物后，受病原菌影響，植物體內多種酶類、氧化還原物質和抗病相關基因等都發生了相應的變化，在生理、生化和分子水平啟動對應的防御應答使植株獲得系統抗性，抗性強弱直接決定了植物是否發病以及發病程度[13]。本研究表明，谷種拌黑粉菌后，植株出現了基因轉錄、抗病相關酶活性、次生代謝途徑及產物量的改變，說明谷子對黑粉菌的響應是一個涉及基因轉錄調控、細胞代謝過程改變的系統性生物學過程。

本研究表明，拌菌后2 個品種比較，抗病品種J20 的PAL 活性、PPO 活性以及總酚、類黃酮、木質素含量均增加，而感病品種C35 酚類物質增量不大或保持不變，總酚含量甚至呈下降趨勢。苯丙烷代謝途徑是植物次生代謝產物合成的主要途徑，其中，酚類物質是一類重要的次生代謝產物，在植物抗病過程中同時兼有抗氧化性和抗病性[14]。在病原菌—植物互作過程中，次生代謝產物可作為保護屏障防御病原物侵染，其中有些物質還可作為信號分子參與植物的抗病防御反應[15]。由此推測，感病品種C35 總酚含量下降與其對黑粉菌的抗性較弱有著直接關系，即酚類物質的大量合成有助于增強谷子對黑粉菌的抗性。參與酚類物質代謝過程的PAL和PPO 在植物抗病生理中具有重要作用，其中，PAL 通過次生代謝途徑參與調控植物抗病性化合物的生物合成過程[16]；PPO 能夠將植物體內的酚類物質氧化成對病原菌有毒性作用的醌類物質，從而直接抑制病原菌在植物內的生長與擴散[17]。本研究所檢不同抗性谷子品種間PAL 和PPO 活性的顯著差異可能與其對病原菌的敏感性不同有關。前人在糜子、玉米和甘蔗[18-20]等的研究中也發現，這些作物在受到外界病原真菌侵染后，作物體內PAL、PPO和POD 等活性上升，且與品種抗性存在正相關性，證明了與本研究類似的結論。

抗病相關酶β-1，3-葡聚糖酶和幾丁質酶可通過分解病原菌細胞壁、誘導抗病相關酶促反應，促使抗病物質的累積，增強植物抗病能力。本研究中，幾丁質酶活性在拌菌組和對照組間顯著不同，但是在2 個品種間無顯著差異，沒有體現出與谷子品種抗病能力的對應關系；β-1，3-葡聚糖酶活性在敏感品種C35 拌菌組中無明顯響應，不利于植物的抗病防御。本研究結果與文獻報道的β-1，3-葡聚糖酶和幾丁質酶活性與作物品種抗病性呈正相關[18]不一致，可能與谷子品種、發育階段以及環境因素影響有關。

基因轉錄應答是植物適應環境的基礎。本研究檢測了2 個谷子抗病生理相關基因的轉錄水平，證實這些基因在拌菌組上調表達。研究顯示，將幾丁質酶基因CHIB 導入一些作物中，可使轉基因作物株系抗病性顯著增強；基因4CL 編碼4－香豆素輔酶A 連接酶，是木質素合成途徑的限速酶；基因CCR 是肉桂酰coA 還原酶（一種木質素合成酶），該酶通過調控木質素等次生代謝產物的合成參與植物抗病。本研究中，谷子拌菌組中上述基因轉錄上調，與本研究檢測的相應酶活性提高、次生代謝產物量增加相一致，是植物獲得抗性的生物學基礎。FLS2 是一類植物模式識別受體，其通過感知和識別病原菌鞭毛蛋白并啟動免疫信號傳導，隨即觸發植物先天免疫反應，在植物抗病過程中發揮重要作用。轉錄因子WRKY22 能夠對多種非生物脅迫和稻瘟病菌快速響應[21]。本研究中高抗品種J20 拌菌組與對照組間相關基因的差異轉錄，提示植株受體蛋白FLS2 對病原菌進行識別，轉錄因子WRKY22由此激活，進而調節抗病相關基因（CHIB、4CL 和CCR）的表達，以增強植株對病原物的防御應答。

綜上所述，谷子對黑粉菌的抗性與品種的遺傳基礎有關，植株基因轉錄應答、細胞生理代謝改變提供了抗病生理的物質基礎，抗病相關酶、次生代謝途徑及其產物在谷子誘導抗性中發揮了積極作用。