硅對燕麥幼苗稈銹病抗病能力的作用

李英浩 呂 品 米俊珍 趙寶平 劉景輝 薛國興

(內蒙古農業大學 農學院，呼和浩特 010019)

燕麥(

Avena

sativa

L.)是我國北方農牧交錯區和西北干旱區等生態脆弱區主要的糧飼兼用作物及優勢特色作物，具有抗旱、耐瘠薄和適應性強等特性。燕麥稈銹菌(

Puccinia

graminis

f. sp

.

avenae

)引起的稈銹病是影響燕麥產量和品質的重大病害之一，在我國東北三省和內蒙古自治區等地普遍發生且嚴重。植株感病后不但千粒重降低、面粉色黑不筋，而且莖稈易折斷、籽粒質量下降，據調查結果顯示，燕麥稈銹病流行造成產量損失達5%以上。目前在燕麥生產中, 對稈銹病的防治主要通過大量使用化學殺菌劑，這不但會嚴重污染環境, 而且會大大降低籽粒的食用安全性。因此如何增強燕麥植株本身的抗病性, 特別是提高植株的系統獲得抗病性是目前亟待研究的問題。硅是地殼中最豐富的元素之一，雖然該元素不是植物生長的必要元素，但在提高植物抗病性上有重要作用，如硅對水稻白葉枯病、番茄根腐病、黃瓜炭疽病、番茄腐霉病和豇豆銹病等病害均有一定的防治效果，因此，探究硅對燕麥稈銹病的防效，對于開辟稈銹病防治的新途徑和燕麥的安全高效生產具有重要意義。

楊艷芳等研究指出，外源硅能顯著降低小麥白粉病的嚴重度, 相對免疫效果達38.8%，同時接種白粉病后, 硅顯著地提高了葉片凈光合速率，抗氧化酶活性以及滲透調節物質含量，意味著硅可通過參與植物的生理生化反應, 從而提高植物抗病性。目前，關于外源硅增強燕麥稈銹病抗性的研究尚未見報道，本研究以易感稈銹病的燕麥品種‘壩莜1號’為試驗材料，用不同濃度的硅酸鹽處理后，測定燕麥稈銹病抗性、葉片光合性能、抗氧化酶活性及滲透調節物質含量等指標，旨在探究硅在燕麥抗稈銹病過程中的生理功能，以期為應用硅防治燕麥稈銹病提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用易感稈銹病的燕麥品種‘壩莜1號’為試驗材料，供試燕麥稈銹菌從張家口市農業科學院燕麥生產試驗田采集，試驗所用的硅酸鹽(KSiO)及其他化學試劑均為分析純，所用營養液參照Hoagland經典配方進行配置。

1.2 試驗方法

1

.

2

.

1

燕麥幼苗培養

試驗采用盆栽方法，供試土壤為蛭石與泥炭土按質量比為1∶1的比例混合而成。泥炭土中 N+P+K含量>10 g/kg，有機質含量>50 g/kg，pH 7.0～8.5。塑料盆高12 cm，直徑15 cm，每盆裝混合土1 kg，種子經次氯酸鈉消毒后播種在花盆中，每盆10粒。燕麥出苗后將花盆置于日光溫室中進行培養。

1

.

2

.

2

接種方法

待燕麥幼苗第一葉充分展開即一葉一心時期，參照李天亞描述的方法進行接種。具體方法：將分離純化后的稈銹病菌置于培養皿內，首先用前端削成扁平的牙簽挑取稈銹菌均勻涂抹于葉片背面，接種時各葉片涂抹菌要定量且保持一致。接種后的葉片用0.05 %‘吐溫-20’水溶液噴霧形成保濕膜，放置在16～18 ℃的黑暗環境中保濕16～20 h后，移入人工溫室內進行培養，溫度控制在20～25 ℃，14 h(光)/10 h(暗)，接種6 d后開始每天觀察病斑(夏孢子堆)發展情況，待接種15 d觀測侵染后表型(發病率、嚴重度等指標)。

1

.

2

.

3

試驗設計

設置7個外源硅(KSiO)濃度梯度，分別為0(對照，CK)、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mmol/L，不同處理的營養液中通過添加相等濃度的氯化鉀(KCl)來補充由于硅的濃度不同而帶來的鉀含量的差異，每個處理3次重復。從燕麥出苗開始每隔3 d分別用不同濃度的含硅營養液進行澆灌，每盆約200 mL，待幼苗長至“一葉一心”時進行接種，待接種15 d后觀察病斑(夏孢子堆)發展情況。

1

.

2

.

4

測試指標及方法

待接種稈銹病菌后第15天進行各指標測定并取樣，取樣部位為帶有明顯稈銹菌孢子的葉片。

稈銹病侵染型包括發病率：發病葉片數占調查葉片總數的百分率，%。

嚴重度：病葉上稈銹菌夏孢子堆所占據的面積與葉片總面積的百分率，%。

最高病級：分級標準參照Stewart等的方法。

采用硅鉬藍比色法測定葉片硅含量；采用烘干稱重法測定幼苗干鮮重；采用乙醇提取法測定葉綠素含量；應用CIRAS-3便攜式光合作用測定系統測量光合參數(凈光合速率

P

、蒸騰速率

T

、氣孔導度

G

、胞間CO濃度

C

)；用FMS-2便攜式脈沖調制式熒光儀測定葉綠素熒光參數(初始熒光

F

、最大熒光

F

、光化學效率

F

/F、光合性能指數PI)。可溶性蛋白含量、葉綠素含量、脯氨酸含量、丙二醛MDA含量、過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性等指標的測定參照李合生的方法。

1.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2016軟件進行處理和作圖，利用SPSS 22.0軟件進行方差分析，并運用Duncan’s檢驗法對顯著性差異進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同硅濃度對燕麥稈銹病防效的影響

從圖1可知，施用不同濃度的硅后，葉片表現出不同的發病狀況，且隨著硅濃度的增加葉片所產生的稈銹菌孢子量呈現“先減少后增多”的變化趨勢，0 mmol/L硅處理的葉片上孢子量最多，1.5 mmol/L硅處理的葉片孢子量最少，葉片僅表現出褪綠發黃現象。因此，外源施用硅可以有效提高燕麥稈銹病抗性，且以1.5 mmol/L為最佳濃度。

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentrations of K2SiO3圖1 不同濃度硅處理下燕麥稈銹病的抗病效應Fig.1 Resistance to oat stem rust under different concentrations of silicon

由表1可知，施用硅酸鹽溶液可顯著降低燕麥葉片稈銹病的發病率和嚴重度，即在KSiO濃度為0～1.5 mmol/L時，硅濃度越高，燕麥稈銹病的發病率、嚴重度及最高病級越低，不同硅濃度處理對稈銹病的防治效果具有顯著差異(

P

<0.05)。1.5 mmol/LKSiO時，燕麥稈銹病的發病率、嚴重度顯著低于其他處理，而防治效果均顯著高于其他處理(

P

<0.05)。1.5 mmol/L KSiO時，燕麥葉片的發病率和嚴重度比對照分別降低27.96%和35.32%，防治效果提高31.25%，且病級水平最低。綜上，施用1.5 mmol/L的KSiO對燕麥稈銹病具有最佳的防治效果。

表1 不同濃度硅處理對燕麥稈銹病的防治效果
Table 1 Control effect of different treatments of silicon concentrations on oat stem rust

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentration of K2SiO3發病率/%Incidence最高病級Highest disease level防治效果/%Control effect嚴重度/%Severity0 (CK)100.00±0.00 a4級0.00±0.00 f7.05±0.14 a0.595.96±2.22 b4級6.56±0.28 e6.85±0.27 a1.090.70±1.46 c3級21.25±0.23 d6.02±0.15 b1.572.04±1.87 e2級31.25±0.86 a4.56±0.20 c2.082.04±1.70 d3級30.25±0.61 b6.74±0.17 b2.582.33±2.05 d3級25.45±0.51 c6.21±0.25 b3.083.53±1.55 d3級25.25±0.26 c6.25±0.24 b

注：不同的小寫字母表示不同處理之間在0.05水平上差異顯著。數值是3個重復變量的平均值±標準誤差。下同。
Note: Different lowercase letters indicate that there is a significant difference at the level of 0.05 between different treatments. The value is the mean±standard error of the three repeated variables. The same below.

2.2 不同硅濃度對燕麥幼苗干鮮重的影響

由圖2可知，在KSiO0～1.5 mmol/L時，燕麥幼苗的單株干重和鮮重均隨硅濃度的增加而增加，1.5 mmol/L KSiO時，幼苗的干重和鮮重顯著高于其他濃度處理，且燕麥幼苗的單株干重和鮮重比CK分別增加90.91%和74.71%(

P

<0.05)；當KSiO從1.5增至3.0 mmol/L時，幼苗的單株干重和鮮重均基本維持不變。綜上，在稈銹菌侵染條件下，1.5 mmol/L KSiO為可促進燕麥幼苗生長的最佳濃度。

不同的小寫字母表示不同處理之間在0.05水平上差異顯著。數值是3個以上重復變量的平均值±標準誤差。下同。Different lowercase letters indicate that there is a significant difference at the level of 0.05 between different treatments. The value is the mean ±standard error of the three repeated variables. The same below.圖2 不同濃度硅處理的燕麥幼苗的干重(a)和鮮重(b)Fig.2 Dry weight (a) and fresh dry weight (b) of oat seedlings under different treatments of silicon concentrations

2.3 不同硅濃度對燕麥葉片硅含量和葉綠素含量的影響

由圖3可知，不同硅濃度處理均對燕麥幼苗葉片中硅含量及葉綠素含量產生一定程度的影響。KSiO濃度為0～1.5 mmol/L時，葉片硅含量及葉綠素含量均隨硅處理濃度的增加而增加。其中1.5 mmol/L 的KSiO處理下，葉片硅含量和葉綠素含量相比CK分別提高66.67%和18.67%；當KSiO從1.5增至3.0 mmol/L時，葉片硅含量基本保持不變，而葉綠素的含量顯著下降。

圖3 不同硅濃度處理的燕麥葉片的硅(a)和葉綠素(b)含量Fig.3 Silicon content (a) and chlorophyll content (b) of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

2.4 不同硅濃度對燕麥葉片光合參數的影響

由表2可知，接種稈銹病菌后，施用不同濃度的硅對燕麥葉片各項光合參數均產生較大影響，在KSiO濃度為0～1.5 mmol/L時，燕麥葉片的

P

、

T

、

G

及

C

均隨硅處理濃度的增加逐漸升高，當硅濃度增加到1.5 mmol/L后，各項值開始下降。與CK相比，1.5 mmol/L KSiO燕麥葉片的

P

、

T

、

G

及

C

值分別升高51.47%、285.71%、285.71%和27.78%；與1.5 mmol/L KSiO處理相比，3.0 mol/L KSiO處理的葉片

P

、

T

、

G

及

C

值分別降低15.86%、68.15%、53.09%和22.06%。

表2 不同濃度硅處理的燕麥葉片的光合參數
Table 2 Photosynthetic parameters of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentrationof K2SiO3凈光合速率/(μmol/(m2·s))Pn蒸騰速率/(mmol/(m2·h))Tr氣孔導度/(mmol/(m2·s))Gs胞間CO2濃度/(μmol/mol)Ci0 (CK)2.04±0.04 e0.35±0.02 f0.021±0.012 e262.50±4.29 e0.52.05±0.04 e0.39±0.02 f0.023±0.007 d269.20±6.88 e1.02.36±0.03 d1.12±0.03 c0.052±0.017 bc301.11±8.40 c1.53.09±0.03 a1.35±0.03 a0.081±0.010 a335.42±9.65 a2.02.99±0.04 b1.30±0.02 b0.074±0.014 ab320.53±10.53 b2.52.65±0.03 c0.93±0.02 d0.040±0.010 cd284.82±5.35 d3.02.60±0.02 c0.42±0.01 e0.038±0.020 cd261.41±3.97 e

2.5 不同硅濃度對燕麥葉片熒光參數的影響

由表3可知，在稈銹病菌侵染條件下施用不同濃度的硅溶液，燕麥葉片各項熒光參數均出現明顯變化，

F

、

F

/

F

及PI均隨硅處理濃度的增加呈現出逐漸升高的變化趨勢，

F

變化趨勢相反，當KSiO>1.5 mmol/L時，除

F

外其余各項值逐漸顯著降低(

P

<0.05)。1.5 mmol/L KSiO處理的燕麥葉片

F

、

F

/

F

及PI比CK分別升高19.62%、7.69%和5.84%，

F

比CK降低9.82%；與1.5 mmol/L KSiO處理相比，3.0 mmol/L KSiO處理的葉片

F

、

F

/

F

及PI分別降低15.32%、5.95%和5.52%，而

F

升高9.80%。

表3 不同濃度硅處理的燕麥葉片熒光參數
Table 3 Fluorescence parameters of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentration of K2SiO3初始熒光Fo最大熒光Fm光化學效率Fv/Fm性能指數PIABS0 (CK)443.49±7.77 a2 059.38±28.16 c0.78±0.03 b1.37±0.02 c0.5439.12±9.67 ab2 087.20±37.51 c0.79±0.03 b1.39±0.02 bc1.0421.15±10.49 c2 156.43±27.44 b0.80±0.02 b1.40±0.02 bc1.5399.95±7.37 d2 463.45±29.80 a0.84±0.02 a1.45±0.02 a2.0402.71±8.89 d2 156.58±17.27 b0.81±0.03 ab1.42±0.03 ab2.5425.02±5.20 bc2 100.67±33.09 c0.80±0.01 b1.39±0.01 bc3.0439.16±9.05 ab2 086.15±15.00 c0.79±0.02 b1.37±0.02 c

2.6 不同硅濃度對燕麥葉片抗氧化酶及滲透調節物質的影響

由表4可知，稈銹病侵染條件下，不同濃度硅處理對燕麥葉片中抗氧化酶活性及滲透調節物質含量的影響也不同。在KSiO0～1.5 mmol/L時，隨著硅濃度不斷增大，葉片SOD和POD活性逐漸升高，而MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量逐漸降低。當KSiO>1.5 mmol/L時，各項指標隨硅濃度增加均呈現與前一階段相反的變化趨勢。1.5 mmol/L KSiO處理的燕麥葉片SOD和POD活性比CK分別升高35.66%和28.88%，MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量比CK分別降低50.00%、27.45%和16.62%。

表4 不同濃度硅處理的燕麥葉片抗氧化酶及滲透調節物質
Table 4 Aantioxidant enzymes and osmotic regulators in oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3濃度/(mmol/L)Concentrationof K2SiO3超氧化物歧化酶活性/ (U/g)Superoxide dismutaseactivity過氧化物酶活性/(U/g)Peroxidase activity丙二醛含量/(mmol/g)Malondialdehydecontent可溶性蛋白含量/(g/g)Soluble proteincontent脯氨酸含量/(μg/mg)Proline content0(CK)5 525.95±88.28 d3.22±0.06 e0.16±0.02 a21.20±0.07 a401.80±5.05 a0.56 445.01±82.10 c3.36±0.07 f0.14±0.02 a19.85±0.12 b396.46±6.90 a1.06 889.87±93.63 b3.55±0.05 d0.12±0.01 ab17.52±0.05 d386.01±9.35 a1.57 496.48±99.05 a4.15±0.08 a0.08±0.02 c15.38±0.07 f335.01±10.41 c2.07 523.75±100.25 a3.95±0.03 b0.09±0.01 bc16.23±0.04 e345.40±12.93 bc2.57 012.73±97.34 b3.75±0.09 c0.13±0.04 ab17.41±0.05 d352.45±8.60 b3.06 958.31±70.67 b3.52±0.03 d0.14±0.03 a19.36±0.03 c386.07±7.74 a

3 討 論

硅對植物的生長發育有良好的促進作用，主要表現在促進植物健壯生長、提高植物對干旱脅迫、鹽脅迫和細菌或真菌病害等脅迫的抵御能力。薛高峰等研究發現，水稻遭受白葉枯病菌侵染后，外源施用硅處理的植株生物量均顯著高于不加硅處理。這與本研究結果一致，施硅后可以顯著提高稈銹病脅迫下燕麥幼苗的干鮮重。Dannon等研究結果表明，外源施用硅能顯著降低番茄青枯病的發病率，降低病情指數。本研究結果顯示，外源施用硅同樣可以顯著降低燕麥稈銹病的發病率，顯著增強燕麥的抗病性，且與其他處理相比，1.5 mmol/L KSiO處理燕麥對稈銹病具有最佳的防治效果。

植物的光合作用是干物質積累形成的基礎，較高的光合碳同化能力是植物生存的前提。研究表明，導致植物光合效率下降的原因分為氣孔限制(

G

和

C

同時下降)和非氣孔限制(

G

下降而

C

維持不變或者上升)2種。本研究中，燕麥葉片

P

、

G

和

C

隨著硅濃度的增加而提升，由此推測，稈銹病侵染條件下施硅可以通過調節葉片氣孔開閉進而促進光合作用。植物受到病菌侵染后，葉片光合機構受到損傷，葉片的葉綠體片層結構遭到破壞，葉綠素含量降低，直接影響葉片的光合作用，有研究表明硅元素可緩解因病菌侵染導致的光合代謝紊亂，本研究也印證了這一結果，接種稈銹病菌后外源施用硅可以通過改變葉片的熒光動力學參數提高光合能力。然而李煥麗等研究指出，適量施硅可以有效提高黑穗病病原菌接種的甘蔗葉片的

P

，一旦施硅過量，則導致甘蔗葉片

C

升高，進而降低

P

；這與本研究結果不同，稈銹病侵染下施用高濃度硅會降低燕麥葉片的

C

，這可能是由于作物種類的不同。

目前關于施用硅可加強植物對真菌病害的防御能力有2種不同的觀點。一種觀點認為硅在細胞中聚集起到了物理屏障的作用，不僅防止真菌菌絲的入侵，而且還減輕了真菌對細胞壁的降解作用，這可能是硅提高燕麥稈銹病抗性的一方面原因。另一種觀點認為硅可參與植物寄主和病原物相互作用的生理代謝過程，經過一系列生理生化反應和信號轉導，激活寄主防衛基因，誘導植株系統抗病性的表達而起到了抑制病害的作用。SOD和POD是與植物抗病相關的抗氧化酶，主要功能是通過歧化反應清除超氧陰離子自由基。本研究中，外源施用硅顯著提高稈銹病侵染條件下燕麥葉片SOD和POD活性，從而提高燕麥對稈銹病菌的抗性。MDA是膜脂過氧化作用的末端產物，其含量能夠代表膜脂過氧化的程度。本研究結果顯示，施用較高濃度的外源硅可使葉片MDA含量降低，說明稈銹病脅迫下較高濃度的硅能夠降低電解質外滲率，抑制丙二醛積累，抑制膜脂過氧化作用。綜上所述，外源施硅可以有效降低燕麥的稈銹病發病率，具有良好的抗病效果。有關硅在植物抗病過程中的生理機制是復雜的，需要進一步深入的研究和驗證。

4 結 論

接種稈銹病菌條件下，與0 mmol/L(CK)相比，施用1.5 mmol/L KSiO可顯著提高燕麥幼苗稈銹病抗性、光合特性(

P

、

T

、

G

、

C

、

F

、

F

/

F

和PI)、葉綠素含量、抗氧化酶活性(SOD、POD)和滲透調節物質的含量(可溶性蛋白和脯氨酸)。由此說明，外源施用硅能通過參與燕麥的生理生化反應提高幼苗抗稈銹病的能力，且以1.5 mmol/L為最佳硅濃度。