葡甘露寡糖對(duì)玉米的誘抗促生作用研究

張馨月，許培瑜，張春來，謝咸生，李 敏，張付云

（1.大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116023；2.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧大連 116023；3.山西省農(nóng)科院 小麥研究所，山西 太原 030031）

0 引言

玉米是世界四大經(jīng)濟(jì)作物之一，是多個(gè)國(guó)家的重要農(nóng)作物，是人們生活中不可缺少的一部分[1-2]。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)之一，種植業(yè)一直處于農(nóng)業(yè)部門的主導(dǎo)地位[3]，玉米不論是作為糧食產(chǎn)物還是飼料，都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4]。隨著社會(huì)對(duì)玉米的需求不斷增加，玉米的種植面積也逐漸擴(kuò)大。近年來，由于作物耕作制度的改變和氣候環(huán)境的變化，各種病害逐年加重，進(jìn)一步影響產(chǎn)量[5-6]。

玉米病害是影響玉米產(chǎn)量的主要因素之一。據(jù)報(bào)道，我國(guó)玉米上發(fā)生的病害有30 多種，包括矮花葉病、大斑病、小斑病、絲黑穗病等[7-10]，其中玉米矮花葉病和大斑病危害近年來愈發(fā)嚴(yán)重[11]。玉米矮花葉病是1963 年在美國(guó)的俄亥俄州被首次發(fā)現(xiàn)的[12]，該病害導(dǎo)致每年玉米產(chǎn)量損失可達(dá)20%～80%[13]。玉米大斑病，又被稱為葉枯病、條斑病等，是發(fā)生在我國(guó)北方和南方山區(qū)的重要病害，該病害導(dǎo)致玉米產(chǎn)量的損失可達(dá)50%以上[14-17]。玉米矮花葉病和大斑病對(duì)玉米產(chǎn)量和品質(zhì)帶來嚴(yán)重的影響，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為追求高產(chǎn)量，減少作物因病害造成的損失，外源施用化學(xué)調(diào)控劑被廣泛應(yīng)用[18]，外施調(diào)控劑已成為培育壯苗和提高產(chǎn)量最直接有效的方法[19]，這也造成了一定的環(huán)境壓力。近年來，越來越多人開始致力于環(huán)境友好型生物農(nóng)藥[20]，不僅可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且減少了化肥和農(nóng)藥的使用量，為可持續(xù)的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了保證。寡糖類誘抗劑是一類具有生物調(diào)節(jié)功能的碳水化合物，多種研究表明殼寡糖在提高植物抵抗逆境脅迫、促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面發(fā)揮重要作用[21-22]。孫磊[23]研究發(fā)現(xiàn)，水稻幼苗經(jīng)殼聚糖處理后，葉綠素含量增加，增強(qiáng)了水稻的抗冷性，緩解低溫對(duì)水稻的損害。An Q D 等人[24]利用海藻膠降解酶降解得到海藻酸鈉寡糖（AOS），發(fā)現(xiàn)AOS 可以誘導(dǎo)大豆產(chǎn)生抗毒素，增強(qiáng)大豆對(duì)病菌的抗性。薛改妮等人[25]對(duì)氨基寡糖素在小麥上的應(yīng)用效果進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氨基寡糖素拌種可提高麥苗的出苗率、株高等，也可以增加小麥的抗逆性，在不同時(shí)期進(jìn)行噴藥，產(chǎn)量均有一定程度增加。葡甘露寡糖（Glucomannan oligosaccharides，GMOS） 是一種功能性低聚糖，是葡甘露聚糖在物理、化學(xué)和生物降解后形成的低聚合度糖的混合物[26]。已有研究表明，甘露寡糖可作為激發(fā)子激活水稻和本氏煙草的PTI 免疫反應(yīng)[27]，可作為保護(hù)植物免受疾病侵害的引發(fā)劑。

截至目前，鮮有關(guān)于施用外源性寡糖- 葡甘露寡糖（GMOS） 對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響及誘導(dǎo)對(duì)玉米矮花葉病和大斑病抗性的報(bào)道，試驗(yàn)通過不同方式，施用不同質(zhì)量濃度的GMOS，探究玉米株高、莖粗、玉米矮花葉病及大斑病病況和玉米產(chǎn)量的變化，以證實(shí)葡甘露寡糖對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響及對(duì)玉米矮花葉病和大斑病的誘抗作用，為以葡甘露寡糖為基礎(chǔ)而開發(fā)的新型環(huán)境友好型生態(tài)農(nóng)藥提供依據(jù)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)，也能更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 供試材料

葡甘露寡糖（GMOS，粉劑），中國(guó)科學(xué)院大學(xué)大連化學(xué)物理研究所天然產(chǎn)物及糖工程研究組提供；玉米，選用山西省農(nóng)科院小麥研究所培育的“臨玉31”，是當(dāng)?shù)刂饕纳唐酚衩灼贩N，供試材料于2020年種植在山西省臨汾市堯都區(qū)山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所試驗(yàn)基地。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

GMOS 拌種和葉面噴霧處理的質(zhì)量濃度分別為25，50，100，200，400 mg/L，其中拌種處理以未經(jīng)GMOS 拌種為對(duì)照，葉面噴霧處理以噴施等量清水為對(duì)照，共12 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共36 個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，各區(qū)之間設(shè)立陽性保護(hù)行（寬度約2 株玉米），保護(hù)行與試驗(yàn)區(qū)玉米同時(shí)播種，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)8.0 m，寬2.5 m，面積20 m2，種植玉米120 株。

1.2.2 GMOS 拌種方法

播種前，將GMOS 用蒸餾水溶解，質(zhì)量濃度分別為25，50，100，200，400 mg/L。將種子加入以上質(zhì)量濃度的100 mL GMOS 溶液內(nèi)，充分振蕩30 s，浸泡2 h 后，倒出攤開置于通風(fēng)處，陰干后播種。

1.2.3 GMOS 葉面噴霧方法

在玉米五葉期和齊穗期各噴施1 次質(zhì)量濃度分別為25，50，100，200，400 mg/L 的GMOS 溶液。使用電動(dòng)噴霧器，用噴頭對(duì)準(zhǔn)玉米喇叭口處噴霧1 s左右，以喇叭口為中心，晃動(dòng)噴頭噴霧1 圈，確保每株玉米噴施均勻，噴液量為10 mL 左右。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 生長(zhǎng)評(píng)價(jià)

測(cè)定指標(biāo)包括株高、莖粗。在玉米收獲前測(cè)量株高和莖粗，用滑桿測(cè)量株高（莖基部到植株生長(zhǎng)最高處），用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗（莖基部的粗度）[28]。

1.3.2 枯萎病病情分級(jí)及誘抗效果評(píng)價(jià)

在植株抽雄后20～25 d，以整株為單位，隨機(jī)選取25 棵進(jìn)行調(diào)查，按照0，1，3，5，7，9 癥狀級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)查記載，計(jì)算病情指數(shù)，確定其癥狀級(jí)別[29]。

按照下面公式計(jì)算：

1.3.3 產(chǎn)量評(píng)價(jià)

在成熟期，選擇未取樣的玉米收10 穗玉米籽粒，將籽粒樣品在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，利用籽粒鮮質(zhì)量和干質(zhì)量計(jì)算籽粒含水率[28]，計(jì)算公式為：

按照下面公式計(jì)算：

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及繪圖采用Microsoft Excel 2016 和GraphPad Prism 8.0 軟件完成，用SPSS 25.0 進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡甘露寡糖可以增加玉米的株高和莖粗

株高和莖粗是表現(xiàn)玉米生長(zhǎng)效果的重要指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較低質(zhì)量濃度的GMOS 拌種或者噴施處理對(duì)提高玉米株高作用不明顯，而高質(zhì)量濃度的GMOS 處理促生效果較好（見圖1），在采用100 mg/L和400 mg/L 的GMOS 拌種時(shí)顯著地提高了玉米的株高，與對(duì)照組相比均提高了3.64%（p＜0.01），相比之下200 mg/L 的GMOS 拌種效果稍遜色，但顯著地提高了株高，增加了2.55%（p＜0.05），而葉面噴霧處理中只有400 mg/L 的GMOS 處理效果較好，株高提高了1.43%（p＜0.05）。

圖1 不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下玉米的株高

不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下玉米的株高見圖1。

不同質(zhì)量濃度GMOS 在2 種處理方式下對(duì)玉米莖粗有一定促進(jìn)效果。梯度質(zhì)量濃度的GMOS 拌種和噴施均能夠增加玉米莖粗，但只有200 mg/L 噴施處理下效果顯著（p＜0.05），玉米莖粗增加了11.82%（見圖2）。總而言之，GMOS 在拌種和葉面噴霧2 種處理方式下對(duì)玉米株高及莖粗均有一定的促進(jìn)作用，但具體的促生效果受施用方式的影響，并存在著一定的質(zhì)量濃度依賴性。

圖2 不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下玉米莖粗

不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下玉米莖粗見圖2。

2.2 葡甘露寡糖對(duì)玉米矮花葉病和大病斑有防治效果

拌種和葉面噴施對(duì)玉米矮花葉病均有防治效果。玉米矮花葉病病情指數(shù)（見圖3） 顯示，25，50，100，200，400 mg/L GMOS 拌種或者噴施處理下，玉米矮花葉病病情指數(shù)相對(duì)于對(duì)照組都有極顯著的差異，100 mg/L GMOS 的拌種處理和200 mg/L GMOS的噴施處理防治效果最佳，分別下降了64.22%和66.96%（p＜0.001），說明葡甘露寡糖在防治玉米矮花葉病時(shí)起著極其重要的作用。

圖3 不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下玉米矮花葉病的病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)

不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下玉米矮花葉病的病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)見圖3。

葡甘露寡糖在拌種和葉面噴霧處理下均可抑制玉米大斑病，且與對(duì)照組有顯著差異。由圖4 可知，5 種質(zhì)量濃度的GMOS 拌種或者葉面噴施都顯著地降低了玉米大斑病的病情指數(shù)，25，100，200 mg/L 拌種處理下極顯著地降低了該病的病情指數(shù)，分別降低了58.7%，57.72%，57.7%（p＜0.001）；50 mg/L和400 mg/L較顯著地降低大斑病的病情，分別為51.75%和54.71%（p＜0.01）。5 種質(zhì)量濃度的GMOS噴施處理均極顯著地降低了玉米大斑病的病情，其中100 mg/L GMOS 防治效果最好，降低了54.51%（p＜0.001），說明葡甘露寡糖在防治玉米大斑病時(shí)有著非常顯著的作用。

圖4 不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理對(duì)玉米大斑病的病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)

不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理對(duì)玉米大斑病的病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)見圖4。

2.3 葡甘露寡糖可提高玉米的產(chǎn)量

不同質(zhì)量濃度的GMOS 拌種和葉面噴施處理都可增加玉米的產(chǎn)量，由圖5 可知，在3 次統(tǒng)計(jì)中，只有25 mg/L 噴施處理下能夠較顯著增加10 穗玉米籽粒的質(zhì)量；拌種處理也可適當(dāng)增加10 穗玉米籽粒的質(zhì)量。以上表明GMOS 在拌種和噴霧處理下均可增加玉米的產(chǎn)量，且較小質(zhì)量濃度的GMOS 噴霧后玉米產(chǎn)量更高，處理效果更顯著。

圖5 不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下的玉米產(chǎn)量

不同質(zhì)量濃度葡甘露寡糖在拌種和噴霧處理下的玉米產(chǎn)量見圖5。

3 結(jié)論

培育壯苗是栽培農(nóng)作物的重要部分[30]，而株高和莖粗是檢測(cè)玉米生長(zhǎng)的重要指標(biāo)之一，通過株高和莖粗可以觀察玉米生長(zhǎng)情況。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量濃度褐藻寡糖可提高玉米的株高、莖粗，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育[31]。王慶燕等人[32]研究表明，適宜質(zhì)量濃度的冠菌素（COR） 拌種和葉面噴施處理可以促進(jìn)玉米幼苗期的株高和莖粗；常見的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（氨基寡糖素可溶液劑，吡唑醚菌酯乳油·蕓苔素內(nèi)酯可溶液劑） 也可提高玉米的株高、莖粗，降低穗位高，同時(shí)可增加玉米的穗質(zhì)量和百粒質(zhì)量[33]。試驗(yàn)結(jié)果表明，較高質(zhì)量濃度的GMOS 拌種或噴霧處理都可增加玉米的株高和莖粗，證實(shí)了葡甘露寡糖可作為一種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，在植物生長(zhǎng)中發(fā)揮重要作用。

玉米矮花葉病和大斑病作為玉米生產(chǎn)上的一類典型病害，在世界各玉米產(chǎn)區(qū)均有發(fā)生，長(zhǎng)期以來嚴(yán)重影響著玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。外施植物調(diào)節(jié)劑可有效預(yù)防病害的發(fā)生，據(jù)調(diào)查，施用新型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（木質(zhì)素酸鈉） 能加強(qiáng)植株的抗病能力，可有效抑制水稻病害[34]；氨基寡糖素在煙草上對(duì)TMV的防治效果達(dá)50%以上，且在番茄上對(duì)番茄葉霉菌的防治效果高達(dá)80%[35-36]。郭成瑾[37]研究表明，聚合度為3～10 的殼寡糖能夠誘導(dǎo)煙草植株抗煙草花葉病毒能力的提高。研究也發(fā)現(xiàn)，在GMOS 施用下玉米對(duì)玉米矮花葉病和大斑病均有顯著的抗性。

產(chǎn)量是一種衡量植物栽培技術(shù)及方法手段的重要指標(biāo)，外界因素的變化會(huì)或多或少影響產(chǎn)量[38-39]。研究表明，25 mg/L GMOS 葉面噴施處理的玉米增產(chǎn)效果最佳。根據(jù)調(diào)查研究表明，在玉米八葉時(shí)期噴施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可增加玉米的行粒數(shù)和出籽率[2，40-41]；在大喇叭口期噴施矮壯素可以增加行粒數(shù)和穗粒數(shù)[42]。吳瓊[43]研究結(jié)果也表明AOS 葉面噴霧處理玉米產(chǎn)量更高，與該研究驗(yàn)證結(jié)果一致。

葡甘露寡糖可作為一種無毒、無害、無殘留的天然植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景廣闊。驗(yàn)證了使用葡甘露寡糖對(duì)玉米進(jìn)行拌種和葉面噴霧處理，在高質(zhì)量濃度條件下（100，200，400 mg/L） 對(duì)玉米的株高、莖粗有良好的促進(jìn)作用，且25，100，200 mg/L 質(zhì)量濃度的GMOS 對(duì)玉米的抗病有著最佳的效果。綜合分析，在田間生產(chǎn)上，建議施用100，200 mg/L 質(zhì)量濃度的GMOS，對(duì)植物生長(zhǎng)與抗病效果最佳，為以其為基礎(chǔ)制備新型生態(tài)農(nóng)藥提供依據(jù)。然而，葡甘露寡糖在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的作用機(jī)制仍有待于從分子水平進(jìn)一步深入研究。