外源茉莉酸甲酯對連作草莓土壤酶活性和酚酸類物質含量的影響

范志偉， 張奇瑞， 劉小林， 徐勝光， 洪永忠， 耿智德

(1.昆明學院農學與生命科學學院，云南昆明 650214； 2.云南省高校生物炭工程研究中心，云南昆明 650214；3.宜春學院生命科學與資源環境學院，江西宜春 336000； 4.云南省農業科學院糧食作物研究所，云南昆明 650200)

草莓(×Duch.)是薔薇科(Rosaceae)草莓屬(L.)植物的統稱，屬多年生草本植物，是世界上栽培種植面積最廣的水果之一，具有極高的營養、藥用價值以及抗衰老功能，深得消費者喜愛。但是，由于草莓是多年生草本植物，常年連作生產容易出現大面積品質、產量下降和病蟲害增多等連作障礙現象，嚴重時會導致草莓減產30%～80%，甚至造成絕收。

酚酸類自毒物質被認為是誘導作物連作障礙的主因，其作為植株生長過程中向環境釋放的化感物質，會在連作作物根際土壤中大量堆積，導致土壤酸化，進而對土壤微生物多樣性及群落結構造成不利影響，使得作物抗病性下降，最終影響作物產量及品質。已有的草莓連作障礙相關研究也表明，草莓根系分泌物所含有的對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸等酚酸分泌物會明顯抑制根質量，并與其他病原菌共同危害草莓，加重草莓連作障礙，最終導致草莓減產甚至絕收。

近年來，有研究報道，施用外源茉莉酸甲酯(MeJA)具有消減草莓連作障礙的效果，且認為其機制在于外源MeJA可以提高草莓植株相關酶活性和誘導相關抗性基因表達，從而增強植株的防御和抗病能力，降低草莓連作時的發病率。但是，在MeJA消減作物連作障礙機制方面，前人僅關注了外源MeJA對草莓植株相關酶活性和相關抗性基因表達的影響，卻尚未關注外源MeJA對土壤酚酸類自毒物質這一與作物連作障礙發生密切相關物質的影響。

因此，本研究以草莓三年連作土壤和紅顏草莓為材料，通過觀測草莓根際土壤有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量，土壤酚酸類化感自毒物質含量和土壤酶活性，以及草莓單株果數和單果質量等指標，探究不同MeJA處理對連作草莓根際土壤養分、酶活性和酚酸化感毒物含量的影響，為揭示MeJA消減作物連作障礙的特征與機制提供試驗依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年9—12月在云南省昆明市呈貢區瑞雨農草莓基地(102°83′E，24°85′N，海拔 1 913.8 m)進行，試驗地年均氣溫14.7 ℃，年蒸發量2 384 mm，年日照時數2 200 h，無霜期285 d，常年平均降水量為960 mm，主要集中在6—10月。試驗地土壤為紅壤，耕作層的堿解氮含量為 515.88 mg/kg，有機質含量為3.23%，有效磷含量為71.88 mg/kg，有效鉀含量為623.57 mg/kg，pH值為6.67。

1.2 試驗材料

供試草莓品種為紅顏草莓，供試的95%茉莉酸甲酯購自美國Sigma公司。MeJA溶液的配制方法：以少量二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)溶解MeJA后，用含體積分數為0.2%Tween 80的蒸餾水配成1.0 mmol/L的母液，再用蒸餾水將其稀釋成設定濃度。

1.3 試驗設計

試驗設MeJA溶液0 μmol/L(CK)、10 μmol/L(T1)、50 μmol/L(T2)、100 μmol/L(T3)、200 μmol/L(T4)、500 μmol/L(T5) 6個處理，3次重復，隨機區組布局。各處理株行距為18 cm×25 cm。

1.4 種植管理

2021年9月10日，選取出苗15 d且株高在6～8 cm的紅顏草莓匍匐莖，將其用MeJA蘸根處理 10 min 后移栽至大田，CK組使用相同濃度的二甲基亞砜和乳化劑Tween 80蘸根處理。之后，每隔 5 d 按50 mL/株用量噴灑對應濃度MeJA溶液至草莓葉面，共計噴灑6次，其余種植管理同當地生產實踐一致。

1.5 觀測指標及方法

在幼苗期(移栽后30 d)和開花結果期(移栽后60 d)，用抖根法采集每個處理的5株草莓植株的根際土壤。土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤堿解氮含量測定采用擴散法，土壤有效磷含量測定采用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法，土壤有效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-原子吸收火焰光度計法，土壤pH值采用電極電位法測定(1 ∶2.5 土水比例浸提液)，土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性測定采用底物誘導法，蛋白酶活性測定采用福林法，脲酶活性測定采用比色法。土壤酚酸類物質含量測定參照吳丹等的試驗方法。

開花結果期時，測量各處理的株高、單株果數和單果質量。用測量尺測量草莓根莖部到最長葉片的垂直高度來計算株高，草莓植株成熟果實全部摘除時記錄并計算草莓單果質量以及單株果數。

1.6 數據分析方法

采用SPSS 26.0對數據進行統計分析，Duncan’s新復極差法進行差異顯著性分析，顯著性水平均為=0.05，使用Origin 2018進行作圖。

2 結果與分析

2.1 外源MeJA對連作草莓根際土壤養分的影響

從圖1可以看出，無論是在幼苗期還是開花結果期，相對不施加MeJA的CK處理，MeJA處理的草莓根際土壤有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量在總體上呈現降低趨勢，且多數達到顯著程度。在幼苗期，各處理有機質含量排序為CK>T5>T4>T1>T2>T3，MeJA處理較CK顯著降低10.40%～33.69%(<0.05)；各處理堿解氮含量排序為 CK>T1>T2>T5>T4>T3，MeJA處理較CK顯著降低12.68%～35.00%(<0.05)；各處理有效磷含量排序為CK>T1>T5>T4>T2>T3，除T1、T5與CK無顯著差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低7.70%～45.07%(<0.05)；各處理有效鉀含量排序為CK>T5>T1>T3>T4>T2，MeJA處理較CK顯著降低22.93%～36.38%(<0.05)。在開花結果期，各處理有機質含量排序為CK>T1>T2>T5>T4>T3，除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低5.84%～44.75%(<0.05)； 各處理堿解氮含量排序為 CK>T1>T5>T4>T2>T3， 除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低9.30%～26.74%(<0.05)；各處理有效磷含量排序為 CK>T5>T1>T2>T4>T3，MeJA處理較CK顯著降低11.12%～43.15%(<0.05)；各處理有效鉀含量排序為 CK>T1>T5>T4>T3>T2，除T1與CK無顯著差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低2.76%～39.26%(<0.05)。

值得注意的是，盡管在總體上，MeJA處理根際土壤有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量相對CK呈現降低趨勢，但是綜合各個指標和各個時期可以看出，T3或鄰近處理處于峰谷位置；在其之后，隨著MeJA處理濃度的提高，草莓根際土壤有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量呈反彈上升趨勢。

2.2 外源MeJA對連作草莓土壤酚酸類物質含量的影響

從圖2可以看出，MeJA處理的根際土壤對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸含量在總體上相對CK處理降低，且多數達顯著程度。在幼苗期，各處理對羥基苯甲酸含量排序為CK>T1>T5>T2>T3>T4，除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低14.10%～43.06%(<0.05)；各處理香草酸含量排序為T5>T4>CK>T1>T3>T2，其中T1、T2和T3較CK顯著降低11.49%～20.11%(<0.05)；各處理阿魏酸含量排序為CK>T1>T5>T2>T4>T3，MeJA處理較CK顯著降低15.27%～63.89%(<0.05)；各處理對香豆酸含量排序為CK>T4>T5>T3>T1>T2，T1和T2較CK顯著降低25.42%和37.98%(<0.05)，其余MeJA處理與CK無顯著性差異。在開花結果期，各處理對羥基苯甲酸含量排序為CK>T5>T1>T4>T3>T2，MeJA處理較CK顯著降低20.28%～53.58%(<0.05)；各處理香草酸含量排序為CK>T5>T1>T4>T2>T3，MeJA處理較CK顯著降低17.59%～47.65%(<0.05)；各處理阿魏酸含量排序為T5>CK>T1>T4>T2>T3，除T5與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低18.37%～42.49%(<0.05)；各處理對香豆酸含量排序為CK>T1>T2>T5>T4>T3，除T1與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著降低18.09%～39.41%(<0.05)。

以上結果表明，外源MeJA可以降低重茬草莓根際土壤對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸積累。并且，無論是在幼苗期還是開花結果期，隨著MeJA處理濃度從0增加到500 μmol/L，各處理根際土壤上述4種酚酸化感毒物含量在總體上呈現先下降后上升的趨勢。綜合來看，T3或鄰近處理位于峰谷，在其之后，隨著MeJA濃度的提高，連作草莓根際土壤對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸含量呈反彈上升趨勢。

2.3 外源MeJA對連作草莓根際土壤酶活性的影響

從圖3可以看出，MeJA處理的過氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶的活性在總體上相對CK提高，且多數達顯著程度。在幼苗期，各處理過氧化物酶活性排序為T2>T3>T4>T5>T1>CK，MeJA處理較CK顯著提高25.26%～98.21%(<0.05)；各處理多酚氧化酶活性排序為T3>T2>T4>T1>T5>CK，除T1和T5與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著提高90.05%～202.87%(<0.05)；各處理蛋白酶活性排序為 T2>T3>T1>T4>T5>CK，除T5與CK無顯著性差異外，其余MeJA處理較CK顯著提高37.92%～171.34%(<0.05)；各處理脲酶活性排序為T3>T2>T1>T4>CK>T5，除T5以外的MeJA處理較CK顯著提高12.84%～54.11%(<0.05)。在開花結果期，各處理過氧化物酶活性排序為T2>T4>T3>T1>T5>CK，MeJA處理較CK顯著提高27.80%～88.94%(<0.05)；各處理多酚氧化酶活性排序為T3>T2>T4>T1>T5>CK，T2和T3較CK顯著提高125.08%～148.81%(<0.05)，其余MeJA處理與CK無顯著性差異；各處理蛋白酶活性排序為T3>T2>T4>T1>CK>T5，除T5以外的MeJA處理較CK提高62.52%～148.83%；各處理脲酶活性排序為T3>T2>T1>CK>T4>T5，其中T2和T3較CK顯著提高34.15%和65.77%(<0.05)。

無論是在幼苗期還是開花結果期，隨著MeJA處理濃度從0增加到500 μmol/L，MeJA處理的根際土壤過氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶活性在總體上呈現先上升后下降的趨勢。綜合來看，T3或鄰近處理位于頂峰，在其之后，隨著MeJA濃度的提高，草莓根際土壤過氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶活性呈下降趨勢。

2.4 外源MeJA對連作草莓植株生長指標的影響

由表1可知，各處理的株高排序為T2>CK>T1>T3>T4>T5，T2顯著高于T5(<0.05)，其余處理間差異不顯著；各處理的單株果數排序為T3>T2>T4>T1>CK>T5，T3顯著大于T5，其余處理間差異不顯著；各處理的單果質量排序為T3>T2>T4>T1>CK>T5，其中，T3處理的單果質量26.86 g顯著大于CK和T5(<0.05)。總體來看，MeJA處理對草莓株高、單株果數和單果質量的影響呈先上升后下降的趨勢，并且T3或鄰近處理位于頂峰位置。

表1 外源MeJA處理對草莓植株生長的影響

3 討論

土壤有機質和氮磷鉀元素等養分含量影響著植株的生長狀況和產量形成，而土壤養分的轉化、累積和分解幾乎都是通過土壤酶的作用完成。本研究結果顯示，MeJA處理的草莓根際土壤有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量在總體上與CK相比呈降低趨勢，且多數達顯著程度(圖1)。這說明外源MeJA對草莓植株具有一定的生理調節作用，有利于促進植株對根際土壤的養分吸收。由于蛋白酶和脲酶活性的增強，有利于土壤中蛋白質等含氮化合物和尿素的轉化分解和被植物吸收，因此上述MeJA處理促進根際土壤養分被草莓植株更多吸收的結果，應該與草莓植株經MeJA處理后，其根際土壤的蛋白酶和脲酶活性相比于對照有明顯增強(圖3)有關。已有研究表明，長期連作會導致土壤中蔗糖酶和脲酶等主要土壤酶活性的降低，從而影響土壤中養分的循環和轉化。因此，本研究所發現的施加外源MeJA可以增強連作草莓根際土壤相關酶活性和促進草莓植株吸收土壤養分的結果，就意味著在生產實踐中，可以通過施加外源MeJA的措施，來增強土壤相關酶活性和土壤養分的循環轉化，進而提高植株長勢和緩解連作障礙。

酚酸類物質具有化感作用，會對植株自身產生毒害作用，是作物連作障礙的主要誘因。本研究結果顯示，外源MeJA可以降低連作草莓根際土壤的對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和對香豆酸含量(圖2)，這可能與外源MeJA可以提高連作草莓根際土壤的過氧化物酶和多酚氧化酶活性(圖3)有關，因為過氧化物酶和多酚氧化酶等土壤酶可以促進作物連作土壤酚酸類毒素的降解。已有研究表明，草莓根系分泌物含有的對羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸等酚酸類物質的分泌會明顯抑制根質量，同時加劇連作土壤中病原菌菌絲生長、孢子萌發及侵染，加重連作草莓土傳根部病害，最終導致再植病害的發生。因此，本研究所發現的施加外源MeJA可以增強連作草莓根際土壤相關酶活性和降低酚酸類化感自毒物質的結果，就意味著在生產實踐中，可以通過施加外源MeJA的措施，來增強土壤相關酶的活性和酚酸化感毒物的降解，從而消減草莓連作障礙。

施加外源MeJA后，連作草莓根際土壤養分、土壤酶活性和土壤酚酸類化感自毒物質的變化，除了表現前述的分別相對CK在總體上表現降低或升高的趨勢以外，也表現出隨著MeJA濃度的增加而在T3或其鄰近處理發生轉折的規律。即隨著MeJA濃度的增加，草莓根際土壤的有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量呈現先下降后上升的趨勢(圖1)，土壤酚酸類化感自毒物質呈現先下降后上升的趨勢(圖2)，土壤酶活性則呈現先上升后下降的趨勢(圖3)，且轉折點都出現在T3或其鄰近處理。這說明，在以本研究結果為基礎，應用外源MeJA消減草莓連作障礙時，應根據作物種類和應用環境篩選最優使用濃度。

4 結論

施用適量外源MeJA后，連作草莓根際土壤酶活性上升，促進了根際土壤的有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀被植株吸收和土壤酚酸類化感自毒物質降解，進而使得草莓單株果數和單果質量等生長指標提升。但是，上述趨勢會隨著MeJA濃度的增加而在濃度為100 μmol/L附近時發生轉折。因此，在生產實踐中，可以應用外源MeJA改善連作草莓根際土壤酶活性，以促進土壤養分被植株吸收和酚酸化感毒物的降解，進而緩解連作障礙；同時，應根據作物種類和應用環境篩選最優使用濃度。