茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系生長及抗枯萎病相關物質含量和酶活性的影響

朱國宏，侯樹安，吳小芳，辛 營，許傳強

（設施園藝省部共建教育部重點實驗室·環渤海灣地區設施園藝蔬菜優質高效生產協同創新中心·北方園藝設施設計與應用技術國家地方聯合工程研究中心·沈陽農業大學園藝學院 沈陽 110866）

甜瓜（Cucumis meloL.）是葫蘆科、甜瓜屬一年生果實類園藝作物，因其果實香甜多汁而備受消費者喜愛。近年來，設施甜瓜栽培生產中由連作等導致的真菌性土傳病害枯萎病時有發生。盡管嫁接可以有效防治甜瓜枯萎病發生。但設施甜瓜嫁接栽培中由砧木選擇不當而導致的果實品質和產量下降等問題也時有發生。因此，從提升設施甜瓜栽培中抗枯萎病能力角度入手，積極探索尋找科學、合理的新農藝措施是控制和緩解枯萎病發生的有效手段之一，也可為設施甜瓜產業的可持續發展提供理論指導和技術保障。

伴生栽培是指選擇具有某些特殊作用，且不以產量為目標，相間種植在主栽作物旁邊以達到某些目標的一種間作栽培形式[1]。已有研究表明，在花生/蒼術間作[2]、分蘗洋蔥/番茄伴生[3]、玉米/大豆間作[4]、玉米/辣椒間作[5-6]和小麥/黃瓜伴生[7]等試驗中均發現間作（伴生）栽培條件下可有效控制和緩解土傳病害的發生。在間作（伴生）栽培條件下，伴生作物可以通過釋放無毒性物質，改善土壤微生物環境和誘導抗性等方面控制和緩解土傳病害的發生[6，8-9]。植物在病原菌侵染時會發生一系列的生理生化反應而增強對病原菌的抵抗能力，如抗病相關的次生代謝物質（木質素、總酚、類黃酮等）含量增加、防御酶（苯丙氨酸解氨酶、β-1，3-葡聚糖酶、幾丁質酶等）活性增強、抗病相關基因表達量升高等。如：分蘗洋蔥伴生栽培下可通過顯著提高番茄根系中木質素、總酚等物質含量，也顯著增強了過氧化物酶活性、多酚氧化酶活性和苯丙氨酸解氨酶活性，降低了番茄黃萎病的發病率[10]。小麥/西瓜伴生栽培時，西瓜根系中抗枯萎病相關基因表達增強，木質素和總酚含量以及β-1，3-葡聚糖酶活性顯著升高，進而提高了西瓜對枯萎病的抗性[11-12]。旱作水稻與西瓜的間作試驗中發現，水稻根系分泌物香豆酸能夠顯著增強西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶活性，誘導西瓜CIPR3基因的表達，顯著降低西瓜的枯萎病發病率[13]。可見，適宜的伴生栽培作物能夠誘導番茄、西瓜等作物根系增強防御酶活性、誘導抗病相關基因表達，從而抵抗病原菌侵染，增強抗病性。

本課題組前期研究發現，不同間作植物對薄皮甜瓜植株生長、營養吸收和果實品質影響不同，茴香/薄皮甜瓜間作表現出較強生長勢，根系活力顯著高于薄皮甜瓜單作栽培，且對果實品質無顯著影響[14]。但有關茴香伴生栽培條件下是否能夠增強薄皮甜瓜抗枯萎病能力尚未見詳細報道。鑒于此，筆者以茴香（Foeniculum vulgare）為伴生栽培作物，系統分析在接種尖孢鐮刀菌甜瓜專化型（Fusarium oxysporumf. sp.melonis，FOM）條件下薄皮甜瓜根系中丙二醛、木質素、總酚和類黃酮含量變化特征，以及薄皮甜瓜根系防御酶（多酚氧化酶、過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、β-1，3-葡聚糖酶）活性變化，為構建控制和緩解枯萎病發生的農藝措施體系提供理論依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試薄皮甜瓜（Cucumis melovar. makuwa）品種為銀泉一號，茴香（Foeniculum vulgare）品種為寧興，均由遼寧省農業科學研究院贈予。用于接種薄皮甜瓜的枯萎病病菌為尖孢鐮刀菌甜瓜專化型（Fusarium oxysporumf.sp.melonis，FOM），由沈陽農業大學植保學院贈予。

1.2 方法

試驗于2020 年4－7 月在沈陽農業大學園藝學院科研基地進行。將育苗和栽培基質用高壓滅菌鍋進行滅菌。待薄皮甜瓜長到1 葉1 心時定植于栽培桶（30 cm×24 cm×20 cm）中，每桶定植1株。待薄皮甜瓜幼苗長至3 葉1 心時播種茴香，在距離薄皮甜瓜幼苗5 cm 處播種茴香種子，每桶留15 株茴香。以茴香與薄皮甜瓜伴生栽培為處理T，薄皮甜瓜單作為對照（CK），T 處理和CK 各栽培60桶。伴生茴香出苗后20 d，用滅菌刀片劃傷薄皮甜瓜根系，采用無菌注射器注射FOM 液體（孢子濃度1.6×106個·mL-1），每栽培桶接種20 mL。分別于接種前（0 d）和接種后5、10、15 d 取薄皮甜瓜根系，液氮速凍，-80 ℃貯藏，以備測定各項指標。完全隨機設計，3 次重復。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 枯萎病發病率調查 分別在接種FOM 的10 d 和15 d 時，調查T 處理與CK 植株（各15 株）的枯萎病發病情況。

1.3.2 根系形態學測定 將CK 和T 處理條件下20 d 的薄皮甜瓜根系洗凈，采用植物根系掃描分析儀（Win RHIZO，Canada）計算薄皮甜瓜根系直徑、根系長度、根系表面積和根系體積。T 處理和CK每次隨機取1 株，3 次重復。

1.3.3 抗枯萎病相關物質含量和酶活性測定 采用硫代巴比妥酸法[15]測定丙二醛（MDA）含量。參考Rodrigues 等[16]的方法測定木質素和總酚含量。參考Pirie 等[17]的方法測定類黃酮含量。參考Liu等[18]的方法測定多酚氧化酶（PPO）活性。采用愈創木酚法[19]測定過氧化物酶（POD）活性。參考Qin等[20]的方法測定苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性。參考余永廷等[21]的方法測定β-1，3-葡聚酶活性。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel（2016）進行數據處理和作圖，采用SPSS18.0 進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜植株枯萎病發病率的影響

由圖1 可以看出，在接種FOM 后10 d 和15 d，CK 植株枯萎病發病率分別為11.11%和37.78%；T 處理條件下薄皮甜瓜植株枯萎病發病率分別為4.44%和13.33%，均顯著低于CK。可見，與CK 相比，T 處理可顯著降低薄皮甜瓜植株枯萎病的發病率。

圖1 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜植株枯萎病發病率的影響

2.2 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系生長的影響

由表1 可以看出，T 處理薄皮甜瓜根系的平均直徑、最大根系長度、根系表面積和根系體積均顯著高于CK，分別較CK 提高23.91%、30.35%、77.68%和85.92%。可見，與CK 相比，茴香伴生栽培促進了薄皮甜瓜根系的生長。

表1 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系生長的影響

2.3 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系抗FOM相關物質含量的影響

2.3.1 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中MDA含量的影響 由圖2 可以看出，隨著接種天數的增加，T處理與CK 根系中MDA 含量變化趨勢一致，均呈現逐漸增加趨勢。在未接種FOM 時（0 d），CK 根系中MDA 含量略高于T 處理，但無顯著差異。在接種FOM 后5、10、15 d，T 處理根系中MDA 含量均顯著低于CK，分別較CK 降低24.70%、25.60%和24.14%。

圖2 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中MDA 含量的影響

2.3.2 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中木質素含量的影響 由圖3 中可以看出，隨著接種FOM 天數的增加，CK 根系中木質素含量無明顯變化，在同一處理時間T 處理根系中木質素含量均高于CK。在未接種（0 d）和接種FOM 后5、10 d，T 處理根系中木質素含量分別較CK 提高7.32%、9.03%和5.83%，但二者間均無顯著差異。而在接種FOM 后15 d，T 處理根系中木質素含量顯著高于CK，較CK提高了35.30%。可見，與CK 相比，T 處理可在接種FOM 后15 d 顯著提高薄皮甜瓜根系中木質素含量。

圖3 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中木質素含量的影響

2.3.3 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中總酚含量的影響 由圖4 可知，在未接種（0 d）和接種FOM后5～15 d，T 處理與CK 根系中總酚含量均在15 d到達最大值。在接種FOM 后10 d 和15 d，T 處理根系中總酚含量均顯著高于CK，分別較CK 提高

圖4 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中總酚含量的影響

46.43%和32.95%，在未接種（0 d）、接種FOM 后5 d二者間均無顯著差異。可見，與CK 相比，T 處理在接種FOM 后10 d 即可顯著提高薄皮甜瓜根系中總酚含量。

2.3.4 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中類黃酮含量的影響 由圖5 可知，隨著接種FOM 天數的增加，T 處理與CK 根系中類黃酮含量均呈現逐漸增加趨勢。在接種FOM 后5 d，T 處理根系中類黃酮含量顯著高于CK，較CK 高36.20%。在接種FOM后15 d，T 處理與CK 根系中類黃酮含量均顯著升高，且T 處理顯著高于CK，較CK 高38.66%。但在未接種（0 d）和接種FOM 后10 d，T 處理根系中類黃酮含量與CK 無顯著差異。綜合來看，與CK相比，在接種FOM 后15 d，T 處理能夠顯著提高薄皮甜瓜根系中類黃酮含量。

圖5 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中類黃酮含量的影響

2.4 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系抗FOM相關酶活性的影響

2.4.1 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中多酚氧化酶（PPO）活性的影響 由圖6 可以看出，隨接種后時間延長，T 處理和CK 根系中PPO 活性均表現為

圖6 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中多酚氧化酶活性的影響

逐漸提升趨勢。在未接種（0 d）和接種FOM 后5、10 d，T 處理根系中PPO 均高于CK，分別較CK 提高8.11%、13.46%和11.48%，但二者間無顯著差異。在接種FOM 后15 d，T 處理根系中PPO 活性迅速提升，達到最大值，且顯著高于CK，較CK 高25.00%。可見，在接種FOM 后15 d，與CK 相比，T 處理較CK 能夠顯著促進根系中PPO 活性提升。

2.4.2 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中過氧化物酶（POD）活性的影響 由圖7 可以看出，隨著接種FOM 天數的增加，T 處理根系中POD 活性逐漸升高。在未接種（0 d）和接種FOM 后5 d，T 處理根系中POD 活性與CK 無顯著差異。在接種FOM 后10 d，T 處理根系中POD 活性迅速上升，顯著高于CK，較CK 提高85.57%。在接種FOM 后15 d，T處理與CK 根系中POD 活性均達到最大值，且T處理顯著高于CK，較CK 提高74.83%。可見，與CK 相比，T 處理能夠較早提升根系中POD 活性，從而提升薄皮甜瓜根系抗FOM 能力。

圖7 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中過氧化物酶活性的影響

2.4.3 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性的影響 由圖8 可知，在未接種和接種FOM 處理后各時間段，T 處理根系中PAL活性均高于CK。在未接種和接種FOM 后5 d，T處理與CK 根系中PAL 活性均無顯著差異。在接種FOM 后10～15 d，T 處理和CK 根系中PAL 活性均表現出升高的趨勢，且T 處理根系中PAL 活性顯著高于CK，分別較CK 提高21.61%和22.28%。可見，與CK 相比，在FOM 侵染薄皮甜瓜根系10 d，T處理可顯著提升薄皮甜瓜根系中PAL 活性。

圖8 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中苯丙氨酸解氨酶活性的影響

2.4.4 茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中β-1，3-葡聚糖酶活性的影響 由圖9 可以看出，T 處理與CK根系中β-1，3-葡聚糖酶活性變化趨勢基本一致，且均在接種FOM 后5 d 達到最大值。在未接種（0 d）和接種FOM 后5 d，T 處理和CK 根系中β-1，3-葡聚糖酶活性均呈升高趨勢，且T 處理顯著高于CK，分別較CK 提高21.38%和18.60%。在接種FOM 后10～15 d，T 處理和CK 根系中β-1，3-葡聚糖酶活性均呈下降趨勢，T 處理根系中β-1，3-葡聚糖酶活性略高于CK，但二者間無顯著差異。可見，與CK 相比，在FOM 侵染薄皮甜瓜根系0～5 d，T 處理可顯著提升薄皮甜瓜根系中β-1，3-葡聚糖酶活性。

圖9 接種FOM 條件下茴香伴生栽培對薄皮甜瓜根系中β-1，3-葡聚糖酶活性的影響

3 討論與結論

適宜的伴生栽培能夠增強主栽植物根系活力，促進礦質營養吸收和生長等[12，14]。如玉米/小麥間作時，小麥的根體積和根數量明顯得到提高[22]。筆者研究發現，在15 株茴香伴生栽培20 d 時薄皮甜瓜根系平均直徑、最大根系長度、根系表面積和根系體積均顯著高于薄皮甜瓜單作栽培，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培表現出較好的根系生長狀態，有利于根系抵抗病原菌侵染。

已有研究表明，伴生栽培可以通過植物間相互作用誘導與抗病相關物質含量、相關酶活性升高和抗病相關基因表達，從而提升植物的抗病能力[6，8-9]。植物根系中丙二醛含量越高，表明植物細胞膜受損傷程度越大[23]。西瓜根系中木質素含量的提高可增強其根系對枯萎病的抗性[24]。此外，次生代謝物質（如酚類物質、類黃酮等）含量增加可增強植株抗病和抗逆能力[25-27]。筆者研究表明，在接種FOM 后5～15 d，與薄皮甜瓜單作相比，茴香伴生薄皮甜瓜栽培顯著降低了根系中MDA 含量。在接種FOM 后15 d，茴香伴生能夠顯著提升薄皮甜瓜根系中木質素含量，從而提高根系抗FOM 能力。在接種FOM 后5～15 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中總酚含量和類黃酮含量均呈增加趨勢，且最大值均顯著高于薄皮甜瓜單作栽培，分別較薄皮甜瓜單作高32.95%和38.66%。可見，茴香伴生栽培降低了薄皮甜瓜根系侵染FOM 后細胞膜的損傷程度，且可以通過誘導薄皮甜瓜根系中總酚含量和類黃酮含量增加來提高其抗FOM 能力。

植物體內含有的一些防御酶具有抵抗病原菌侵染的能力，如多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（POD）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）等[28]。多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶參與酶類物質和木質素的合成，對植物細胞壁的加固起重要作用，且多酚氧化酶活性和苯丙氨酸解氨酶活性與抗病性呈正相關[29-32]。β-1，3-葡聚糖酶活性的提升能夠增強植物對病原菌的抵抗能力[33-34]。筆者研究發現，茴香/薄皮甜瓜伴生的根系中過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶和β-l，3-葡聚糖酶活性均高于薄皮甜瓜單作。在接種FOM 后10～15 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中過氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶活性顯著高于薄皮甜瓜單作。在接種FOM 后15 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中多酚氧化酶活性顯著高于薄皮甜瓜單作。在接種FOM 后5 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中β-l，3-葡聚糖酶活性顯著高于薄皮甜瓜單作。可見，茴香伴生能夠提升薄皮甜瓜根系的防御酶活性。

綜合上述，茴香伴生栽培可以通過降低薄皮甜瓜根系中丙二醛含量，增加總酚含量、木質素含量和類黃酮含量，增強多酚氧化酶、過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶和β-l，3-葡聚糖酶活性來抵抗FOM 侵染，提升其根系的抗病能力。但茴香/薄皮甜瓜伴生栽培作為新的農藝措施應用于設施甜瓜抗土傳病害栽培中仍需從根系分泌物、根際土壤微生物多樣性和誘導抗FOM 基因表達等多方面進一步解析其增強抗病性的機制。