施硅提高小麥防御孢囊線蟲病的組成型和誘導型抗性機制

關鍵詞： 小麥；硅肥；菲利普孢囊線蟲；組成型抗性；誘導型抗性

小麥（Triticum aestivum） 是我國重要的糧食作物，維系著國家經濟、社會和民生的健康發展，亦是種植系統中的重要組成部分。近年來，隨著機械化農事操作的普及，各種病蟲危害不斷加重，給我國的糧食生產安全帶來了巨大威脅[1]。植物寄生線蟲是農業生產中最具破壞力的病原之一，危害最嚴重的主要是孢囊線蟲、根結線蟲、根腐線蟲等，其中孢囊線蟲是我國小麥的主要病原之一[2]，常見的小麥孢囊線蟲有禾谷孢囊線蟲（Heterodera avenae）、菲利普孢囊線蟲（Heterodera filipjevi） 和麥類孢囊線蟲（Heterodera latipons），其中菲利普孢囊線蟲是危害小麥最為嚴重的種群[3]。菲利普孢囊線蟲侵染小麥的周期長、致病毒力大，主要危害作物根部，造成營養和水分供應不足[4]。目前孢囊線蟲的防治主要通過化學農藥，但農藥的大量使用會導致線蟲抗藥性增大，農藥的殘留也會導致嚴重的環境問題。施肥、灌溉等農業防治方式既可以減少線蟲的危害，又保護生態環境以及保障糧食安全質量，因此尋找一種合理的農業防治措施有效防御孢囊線蟲病顯得尤為重要。

實際上，植株與植物病蟲害的協同進化過程中，形成了多種抗性防御機制，其中就包括組成型抗性防御和誘導型抗性防御機制[5]。組成型抗性是植物本身具有的防御，貫穿著植物生長的始終，研究發現，植物可以通過調節光合效率、根系生長以及各種像刺或者角質層等物理性屏障來抵御蟲害[6?7]。誘導型抗性是指植物在受到病原物或昆蟲侵害時，誘導植物產生的防御機制[8]。研究表明，植物細胞大都具有活性氧（reactive oxygen species） 的代謝和調控機制，一旦植物受到脅迫，植物抗病早期的反應之一“氧化爆發”（oxidative burst） 便會出現，過氧化氫（H2O2） 作為活性氧中的一種，在脅迫下其含量水平上升[9?10]。研究發現，存在于次生細胞壁的木質素在植物受到病原物侵染時通過增強細胞壁強度來抵御病原物侵害，同時侵染也會誘導植物產生許多次生代謝物質，酚類物質作為一種具有殺菌能力的次生代謝物質，也是合成木質素的前提，在植物受到危害時含量水平發生改變[11]。此外，多種農業防治措施能夠改變植物體內防御物質，提高其對病蟲害的防御能力，前人通過施加Si 和K 等元素來提高作物體內防御物質游離氨基酸、可溶性糖和可溶性蛋白的含量，有效抑制害蟲的繁殖[12?13]。

硅（silicon，Si） 是地殼中最豐富的元素之一，它對提高植物面對各種逆境的抗性是有益的[14?15]。施硅不僅可以促進作物根系生長，增強光合作用，還可以提高根系活力[7]。占麗平[16]研究表明，納米硅通過提高根重和根長，提高水稻對根結線蟲的抗性；扈曉杰等[17]在研究硅酸鉀（K2SiO3·2H2O） 對黃瓜（Cucumis sativus） 白粉病抗性影響中發現，硅酸鉀可以通過提高黃瓜葉片光合和根系活力來提高其對黃瓜白粉病的抗性；隨著研究的深入，人們發現了硅的誘導抗性，即植物受到脅迫后產生一系列防御物質，如木質素，植物將這些防御物質直接運輸到受傷害的部位起作用，降低外界迫害的作用[18?20]。硅酸是局部和系統防御信號的誘導因子，可促進植物防御物質的合成，激發植物的過敏反應（allergicreaction）[21]，外源硅的添加可以增加植物體內酚類等的活性[22?23]。研究表明，施硅可以降低H2O2 含量，提高木質素和酚類物質含量，從而提高水稻（Oryzasativa） 對紋枯病的抵抗[24]；施用硅肥可以提高水稻可溶性蛋白含量來提高對褐飛虱（Nilaparvata lugens） 的抗性[12]。

植物受到孢囊線蟲侵染后，一般會出現生長發育不良、萎縮矮小等癥狀[25?26]。受侵染小麥一般從分蘗期開始，葉片自下而上的變黃枯萎，直到最后死亡[27]。大量研究表明，施硅不僅可以促進小麥的生長發育，還可以提高植物對病蟲害的抗性[28?29]。易軍等[30]研究表明，增施硅肥可以有效減少小麥蚜蟲和白粉病的發生，改善小麥的光合特性。目前，已有試驗采用了在水培霍格蘭營養液中加入1.7 mmol/L 的硅酸鉀（K2SiO3） 溶液來探究硅對小麥防御白粉病的誘導抗性機制[31]，亦有試驗采用在土培中加入0.375g/L 的納米硅來研究硅對水稻防御根結線蟲的誘導抗性機制[16]。但關于硅誘導小麥對菲利普孢囊線蟲抗性機制方面的研究鮮有報道，在小麥組成型和誘導型營養物質和次生代謝方面探究施硅提高小麥孢囊線蟲抗性的研究還鮮有報道，對小麥施用硅肥的用量也沒有合理的推薦，因此本研究設置了5 個不同的硅濃度處理，通過對施用硅肥誘導小麥防御菲利普孢囊線蟲的組成型抗性和誘導型抗性研究，為利用農業施肥防治措施治理作物線蟲病害提供理論依據和基礎支撐，拓展硅肥的應用領域，對實際生產中減少農藥施用與殘留，制定環境友好型小麥病害防治措施方面具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤與容器 供試土壤采自河南省原陽市河南農業大學科教園區，土壤類型為壤質潮土，土壤有機質10.70 g/kg、全氮0.68 g/kg、全磷0.66 g/kg、堿解氮75.40 mg/kg、有效磷7.80 mg/kg、速效鉀63.0 mg/kg、pH 8.20。將耕層（0—20 cm） 土壤采回后，挑出肉眼可見的植物碎屑、小石塊及蚯蚓等大中型土壤動物等，過2 mm 篩，并進行殺線蟲處理[32]，備用。種植小麥的容器采用直徑3 cm、高25 cm的PVC 管。

土壤做殺滅原有線蟲處理，具體步驟為：將供試土壤置于60℃ 烘箱中12 h 以殺滅土壤中的活線蟲，為了保證將活著的線蟲徹底殺死，要在容器中將土壤盡量攤開，使土層盡可能更薄一些，將土壤從烘箱中取出后置于22℃ 恒溫培養箱中再繼續培養12 h 使得線蟲的卵得到充分的孵化，再將供試土壤放入60℃ 烘箱中進行殺線蟲，為了完全殺滅土壤中的線蟲要往復培養，加熱數次，直到土壤中檢測不到線蟲為止。

1.1.2 供試線蟲、硅肥和小麥 供試孢囊線蟲取自河南省許昌市建安區河街鄉半坡鋪村孢囊線蟲病嚴重的土壤，經室內鑒定為菲利普孢囊線蟲（H.filipjevi）[33]。硅肥購于上海麥克林生化科技有限公司，親水型氣相納米二氧化硅Hydrophilic-300 型，SiO2 含量99.8%，粒徑 7～40 nm，比表面積300 m2/g，相對分子質量60.08；小麥品種為‘矮抗58’，由河南省農業科學院小麥研究中心提供。

1.1.3 孢囊線蟲的收集與懸浮液的制備 在河南省許昌收集的病土，使用過篩法分離病土殘渣，將病土和病根放置在篩中，上層用0.85 mm 篩，下層用0.42 mm 篩，用自來水沖洗。再將含孢囊殘渣經過水懸浮和糖懸浮處理去除雜質，之后在體視顯微鏡下用挑針將豐滿的孢囊挑出，用0.5％次氯酸鈉表面消毒10 min，用無菌水沖洗3～4 次。將消毒后的孢囊放入4℃ 的冰箱里保濕放置8～10 周（定期換無菌水），然后置于15℃ 人工氣候箱中黑暗條件下孵化30天，將孵化出來的二齡幼蟲（J2） 用離心管收集起來備用。

接種孢囊線蟲前進行線蟲懸浮液的制備。首先將離心管中收集的線蟲放置30 min 以上，使其沉淀至管底，去除管中上清液（用膠頭滴管沿液面吸出，此過程中可將吸取的上清液置于顯微鏡下觀察，以防損失蟲量），至液面在20 mL 處，將去除上清液的所有離心管中剩余液體合并成一管（每次合并都用清水清洗留在管壁上的線蟲），將合并成一管的線蟲液體充分混勻，統計蟲量并計數，用無菌水調節二齡幼蟲（J2） 懸浮液至100 條/mL，待用。

1.2 試驗設計

1.2.1 不同濃度硅肥對小麥孢囊線蟲病抗性影響試驗 采用硅水平和孢囊線蟲水平5×2 設計，5 個供硅水平分別為0、0.25、0.5、1、2 g/kg；孢囊線蟲包括不接蟲（Si0、Si0.25、Si0.5、Si1、Si2） 和接蟲（Si0×Cyst、Si0.25×Cyst、Si0.5×Cyst、Si1×Cyst、Si2×Cyst） 兩個水平，每個處理3 個重復，每個重復使用1支PVC 管。試驗在河南農業大學資源與環境學院光照培養箱內進行，采用土培試驗。人工培養箱的設定參數為晝夜溫度18℃/14℃、晝夜時間12 h/12 h。每管裝土量為100 g，控制土壤容重在1.1 g/cm³ 左右。每日采用無菌水進行澆灌，保持土壤含水量在田間持水量的65% 左右。將硅肥與供試土壤按照試驗設計用量分別充分混勻裝入PVC 管中，再選取1 株長勢一致的1 cm 左右的發芽小麥移栽到PVC 管中，覆土，并放置在人工氣候培養箱。孢囊線蟲接種2 個月后，取樣進行小麥生長指標和蟲量的測定。待麥苗生長兩周后進行線蟲接種，用玻璃棒在小麥苗旁邊打4 個小孔，小孔的深度剛好到小麥根中部，用移液槍吸取5 mL 線蟲懸浮液（100 頭/mL），分別從4 個小孔注入到小麥植株根部。

1.2.2 硅肥對小麥抗孢囊線蟲病生理生化機制試驗 試驗設4 個處理：不施硅不接蟲（CK）、施硅不接蟲（Si）、不施硅接蟲（Cyst）、施硅接蟲（Si×Cyst）。其中施硅處理根據1.2.1 試驗結果，硅肥施用量為0.5 g/kg，接蟲處理每株小麥接種500 條孢囊線蟲，每個處理3 次重復。施硅處理中，將硅肥和100 g滅線蟲土混勻后裝入PVC 管中，對照和無Si 處理直接將滅線蟲土100 g 裝入PVC 管，試驗控制條件與線蟲接種方式同1.2.1。孢囊線蟲接種2 個月后，取整株小麥樣品進行營養指標（硅、可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸含量）、次生代謝物質指標（木質素、總酚含量） 以及活性氧指標（H2O2 含量） 的測定。

1.3 測試指標與方法

1.3.1 線蟲的分離與計數 小心清洗接種2 個月后的小麥根系，并記錄根上的白雌蟲數量，再用漂浮法分離土壤中的孢囊，即在體視顯微鏡下挑取新鮮飽滿的孢囊，放在黑色塑料袋上進行分離計數，統計單株小麥形成的總孢囊數量。

1.3.2 植株生長指標的測定 選擇長勢較為一致的小麥葉片，使用SPAD-502 型便攜式葉綠素儀（Minolta， Japan） 進行測定，平行測定3 次，取其平均值。然后用電子天平和直尺測定鮮重和株高。

1.3.3 植株根系形態及根系活力的測定 將小麥根系用自來水小心沖洗去除粘附在根系上的土壤，將洗干凈的根系放在裝有自來水的托盤中。用根系掃描儀（LA1600+ scanner， Canada） 掃描根系形態并獲取根系的圖像。之后用根系分析軟件（Winrhizo2003b，Canada） 對此圖像進行相關根系指標分析。

根系活力測定采用TTC 法[34]：稱取0.5 g 根尖，依次加入0.4% TTC 溶液和1/15 mol/L 磷酸緩沖液各5 mL，充分混合，并使根尖切段完全浸入上述反應液中，置于37℃ 的恒溫箱內暗培養2 h，以使根尖切段顯色（紅色） ，3 次重復。將已顯色的根尖切段裝入具塞刻度試管中，加入10 mL 甲醇，使根尖切段完全浸入甲醇中，然后將試管置于37℃ 的保溫箱中，使根尖切段完全變白為止，在485 nm 下測定上述提取液。計算公式：四氮唑還原強度（TTF） =四氮銼還原量 （mg）/根重（g）×時間（h）。

1.3.4 植物營養物質的測定 小麥地上部、地下部硅含量的測定：樣品收獲時將地上部和根系在連接處剪開，分別用蒸餾水清洗后，于105℃ 烘箱中殺青15 min，在70℃ 下烘至恒重，稱量樣品干重。隨后用植物組織自動研磨儀將樣品粉碎。參照戴偉民等[35]推薦的高溫堿溶解法測定小麥植株硅含量。

可溶性糖含量的測定：取新鮮植物葉片，剪碎混勻，稱取0.10g于刻度試管中，加入5 mL 蒸餾水，于沸水中提取30 min，提取液過濾入20 mL 容量瓶中，定容，采用蒽酮法[36]測定。

可溶性蛋白含量的測定：取新鮮植物葉片0.5 g于研缽中，加入2 mL 蒸餾水研磨勻漿后，轉移到離心管中，在室溫下放置0.5 h 以充分提取，然后在4000 r/min 離心20 min，棄去沉淀，上清液轉入10mL 容量瓶中，用蒸餾水定容后測定，采用考馬斯亮藍法[36]測定。

游離氨基酸含量的測定：取新鮮植物樣品，剪碎混勻，稱取0.5 g 于研缽中加入5 mL 10% 乙酸，研磨勻漿后，稀釋至100 mL。混勻并用干濾紙過濾到三角瓶中，采用水合茚三酮法[36]測定。

1.3.5 根系次生代謝物質的測定 木質素含量的測定參照林葵等[37]的方法。將一定質量的新鮮小麥根系放在研缽中，加入95% 乙醇研磨成勻漿，轉移到離心管中，3000×g 離心7 min，先后用95% 乙醇和乙醇∶正己烷=1∶2 （v/v） 分別洗滌沉淀物3 次，再將沉淀物收集并放置在通風櫥中干燥，在干燥后的沉淀物中加入25% 溴乙酰冰乙酸溶液將其溶解，在70℃條件下恒溫水浴封口保溫30 min，加入2 mol/LNaOH 0.9 mL 以終止反應，再加冰乙酸5 mL 和7.5 mol/L 羥胺鹽酸0.1 mL，最后用冰乙酸定容至10 mL，1000 ×g 離心7 min，測定其上清液在280 nm波長處的吸光值，單位為（A280/g， FW）。

總酚含量的測定參照Rodrigues 等[38]的方法。將一定質量的新鮮小麥系根放在研缽中，加入液氮研磨成粉末，轉移至用錫箔紙包裹的離心管中，再加入80% 甲醇1.5 mL，在轉速150 r/min、溫度25℃條件下振蕩過夜。再將離心管12000 ×g 離心5 min，如果不能立即進行下一步，則需將上清液置于?20℃條件下保存。取上清液150 μL，加入0.25 mol/L 福林酚150 μL，搖勻后室溫靜置5 min，加入1 mol/L碳酸鈉溶液150 μL，搖勻后室溫靜置10 min，再加入1 mL 蒸餾水，搖勻后室溫靜置1 h，測定混合液在725 nm 波長處的吸光值。用鄰苯二酚制作標準曲線。

1.3.6 活性氧含量的測定 過氧化氫（H2O2） 含量的測定參照Jaleel 等[39]的方法。將稱好質量的新鮮小麥根系放在研缽中，加入0.1% （w/v） 的三氯乙酸（TCA）5 mL 冰浴條件下研磨成勻漿，轉移至離心管中，12000×g 離心15 min，吸取上清液0.5 mL，加入10 mmol/L pH 7.0 磷酸鉀緩沖液0.5 mL 和1 mol/L 碘化鉀溶液1 mL，充分搖勻后，測定其在390 nm 波長下的吸光值。用H2O2 標準液制作標準曲線。

1.4 數據分析

數據采用Microsoft Office 2019 軟件進行整理及作圖；數據均采用平均值±標準差的形式表示，采用Metabo Analyst 進行PCA （principal componentanalysis） 分析，IBM SPSS Statistics 20 進行數據的單因素方差分析和雙因素方差分析，相關性采用Pearson 相關性分析，Duncan 法進行差異顯著性檢驗 （Plt;0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同濃度硅肥對小麥單株孢囊量的影響

接蟲2 個月后，統計單株孢囊量，不施硅處理小麥單株孢囊量最高，平均每株20.67 個，施Si 0.5g/kg 處理的單株孢囊量最少，分別比施Si 0、0.25、2 g/kg 處理顯著降低67.74%、45.95% 和50.00%，與施Si 1 g/kg 處理沒有顯著差異。Si0.25×Cyst、Si1×Cyst 和Si2×Cyst 處理之間單株孢囊量差異不顯著，但均顯著低于Si0×Cyst 處理，分別比Si0×Cyst 低40.32%、48.39% 和35.48%。因此，施硅可顯著降低單株孢囊的數量，其中硅肥濃度在0.5 g/kg 時單株小麥孢囊量最低（圖1）。

2.2 硅肥用量與孢囊線蟲侵染對小麥生長的影響

接種孢囊線蟲極顯著影響了小麥地上部鮮重（Plt;0.01），顯著影響了小麥株高和SPAD 值（Plt;0.05）；硅肥極顯著影響了小麥地上部和地下部鮮重以及株高和SPAD 值（Plt;0.01）；孢囊線蟲和硅肥對小麥各指標均未表現出交互效應（圖2）。

如圖2 所示，不論是否接蟲，小麥地上部和地下部鮮重均隨著硅肥用量的提高呈現先升高后降低的趨勢，轉折點在Si 0.5 g/kg 水平。硅肥量相同時，接蟲處理的小麥地上部和地下部鮮重均低于不接蟲處理。線蟲侵染后，施硅0.5 g/kg 處理的小麥地上部鮮重比Si0、0.25 和2 g/kg 的處理分別高出53.69%、49.67% 和30.48%，施硅0.5 g/kg 處理的小麥地下部鮮重比不施硅處理顯著高出62.50%。同一接蟲水平下，小麥株高均隨著硅水平的提高呈現先升高后降低的趨勢，其轉折點均在Si 0.5 g/kg 水平。硅水平相同時，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥株高均呈現降低趨勢。線蟲侵染后，施硅0.5 g/kg 處理的小麥株高比Si0、0.25、1 和2 g/kg 的處理分別高出41.33%、10.88%、7.24% 和28.18%。接蟲水平相同時，小麥SPAD 值均隨著硅水平的提高呈現先增大后減小的趨勢，其轉折點均在Si0.5 水平。同一硅水平下，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥SPAD 值均呈現減小趨勢，但差異均不顯著。線蟲侵染后，施硅0.5 g/kg處理的小麥SPAD 值比0 和2 g/kg 的處理分別高出29.40% 和15.22%。

2.3 不同濃度硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥根系的影響

2.3.1 硅肥用量與孢囊線蟲侵染對小麥根系形態的影響 接種孢囊線蟲和施用硅肥均極顯著影響了小麥根表面積、根平均直徑和根尖數，接種孢囊線蟲對小麥總根長無顯著影響，而硅肥影響極顯著；孢囊線蟲和硅肥對小麥根尖數有極顯著的交互效應（圖3）。

如圖3所示，同一接蟲水平下，小麥總根長、根表面積、根平均直徑、根尖數均隨著硅水平的提高呈現先升高后降低的趨勢，其轉折點均在Si 0.5g/kg 水平。硅水平相同時，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥總根長、根表面積、根平均直徑、根尖數均呈現降低趨勢。線蟲侵染后，施Si 0.5 g/kg 處理的小麥總根長比Si0 和2 g/kg 的處理分別高出61.30%和24.16%，施硅0.5 g/kg 處理的小麥根表面積比Si0、0.25、1 和2 g/kg 的處理分別高出47.00%、18.04%、6.40% 和33.50%，施硅0.5 g/kg 處理的小麥根平均直徑比施Si 0、0.25、1 和2 g/kg 的處理分別高出51.81%、14.20%、9.09% 和27.66%，施硅0.5 g/kg 處理的小麥根尖數比Si0、0.25、1 和2 g/kg 的處理分別高出148.30%、58.12%、21.01%和86.09%。試驗結果表明在接蟲情況下，施硅0.5g/kg 可顯著促進小麥生長。

2.3.2 不同濃度硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥根系活力的影響 硅和接種孢囊線蟲均極顯著影響了小麥根系活力，但兩者交互效應不顯著（表1）。同一接蟲水平下，小麥根系活力均隨著硅水平的提高呈現先升高后降低的趨勢，其轉折點均在Si 0.5g/kg 水平。硅水平相同時，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥根系活力均呈現降低趨勢。線蟲侵染后，施硅0.5g/kg 處理的小麥根系活力比施Si 0 和2 g/kg 處理分別高出64.06% 和52.53%。因此，線蟲侵染會降低小麥的根系活力，但施用0.5 g/kg 的硅肥可提高線蟲侵染小麥的根系活力。

2.4 小麥各指標之間的主成分分析、隨機森林以及相關矩陣

利用主成分分析（PCA） 探究硅肥用量與孢囊線蟲侵染對小麥生長的影響，其中PC1 占總方差的74.4%，PC2 占總方差的8% （圖4a）。接蟲情況下，施硅0.5 g/kg 與其它處理顯著分離（圖4b）。根平均直徑、根體積、根尖數、總根長、根表面積、根系活力與PC1 和PC2 均表現出顯著相關。除此之外，地上部鮮重及株高與PC1 表現出顯著相關，單株孢囊量及葉寬與PC2 表現出顯著相關（圖4c）。

隨機森林回歸結果（圖5a） 表明，接蟲與不接蟲處理小麥各指標的平均下降度（mean decrease" accuracy）從大到小均依次為根尖數、單株孢囊量、根表面積、株高、總根長、根體積、地上部鮮重、根平均直徑、葉寬、地下部鮮重、根系活力和SPAD 值，說明接種孢囊線蟲主要通過影響根尖數指標，從而影響小麥根系生長。

根據相關性結果分析（圖5b、c） 可知，小麥單株孢囊量與葉寬、總根長、根表面積、根平均直徑、根體積、根尖數和根系活力表現出顯著負相關（Plt;0.05），說明施硅對于小麥在線蟲侵染時的生長有明顯的促進作用。

2.5 硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥地上地下部組成型和誘導型硅含量的影響

硅肥極顯著影響了小麥地上部硅含量和地下部硅含量，接種孢囊線蟲以及Cyst 與Si 兩者的交互效應均不顯著（表2）。同一接蟲水平下，施硅處理的小麥地上部硅含量和小麥地下部硅含量比不施硅處理有升高趨勢，分別顯著增加了76.50% 和116.60%。線蟲侵染后，施硅0.5 g/kg 處理的小麥地上部和地下部硅含量比不施硅處理分別顯著增加57.41% 和57.49%。

2.6 硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥組成型和誘導型營養物質含量的影響

硅因素和接種孢囊線蟲因素均極顯著影響了小麥可溶性糖含量，但其交互效應并不顯著（表3）。與不施硅處理相比，接蟲與不接蟲下施硅分別顯著提高了可溶性糖含量44.60% 和43.27%。0 和0.5 g/kg施硅水平下，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥可溶性糖含量分別顯著提高了22.44% 和21.32%，接蟲與不接蟲處理間植株可溶性糖含量的差值隨硅肥的施用而升高。因此，施硅可提高小麥組成型可溶性糖的含量以及促進誘導型可溶性糖的積累。

硅肥和接種孢囊線蟲以及兩者的交互效應均極顯著影響了小麥可溶性蛋白含量（表3）。與不施硅處理相比，接蟲與不接蟲下施硅分別顯著提高了小麥可溶性蛋白含量42.74% 和72.66%。0 和0.5 g/kg 施硅水平下，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥可溶性蛋白含量分別顯著降低了32.09% 和17.85%。接蟲植株與不接蟲植株可溶性蛋白含量的差值隨硅肥的施用而降低。因此，施硅可提高小麥組成型可溶性蛋白的含量，降低誘導型可溶性蛋白的積累。

硅因素和接種孢囊線蟲因素均極顯著影響了小麥游離氨基酸含量，而二者交互效應未達到顯著水平（表3）。與不施硅處理相比，接蟲與不接蟲下施硅分別顯著降低了小麥游離氨基酸含量0.11 和0.14mg / g，使小麥組成型游離氨基酸含量顯著降低33.10%。0和0.5g/kg 施硅水平下，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥游離氨基酸含量分別顯著增加了0.14和0.16mg/g。接蟲植株與不接蟲植株游離氨基酸含量的差值隨硅肥的施用而升高。因此，施硅可顯著降低小麥組成型游離氨基酸的含量，提高誘導型小麥游離氨基酸含量。

2.7 施用0.5 g/kg硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥組成型和誘導型次生代謝物質的影響

硅因素和接種孢囊線蟲因素均極顯著影響了小麥木質素和總酚含量，但交互效應對總酚影響顯著，對木質素影響未達到顯著水平（表4）。不接蟲時，與不施硅相比，施硅使木質素含量顯著增加了37.98%，接種孢囊線蟲時，與不施硅處理相比，施硅顯著提高了小麥游離氨基酸含量56.26%；施硅時，接種孢囊線蟲處理的小麥木質素含量比不接蟲處理顯著高出39.42%，接蟲植株與不接蟲植株木質素含量的差值隨硅肥的施用而升高。與不施硅處理相比，接蟲與不接蟲下施硅處理的總酚含量分別顯著提高了32.25% 和35.55%。0和0.5 g/kg施硅水平下，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥總酚含量分別顯著提高了21.39% 和24.42%，接蟲植株與不接蟲植株總酚含量的差值隨硅肥的施用而升高。因此，施硅可提高組成型總酚含量以及誘導型木質素和總酚含量。

2.8 施用0.5g/kg硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥組成型和誘導型活性氧含量的影響

硅因素和接種孢囊線蟲因素均極顯著影響了小麥H₂O₂含量，兩者的交互效應達到顯著水平（表5）。接蟲條件下，施硅處理的小麥H₂O₂ 含量比不施硅處理顯著降低了15.75%。0和0.5 g/kg 施硅水平下，與不接蟲處理相比，接蟲處理小麥H₂O₂含量分別顯著提高了62.84% 和77.23%。接蟲植株與不接蟲植株H₂O₂ 含量的差值隨硅肥的施用而降低，誘導型過氧化氫含量顯著降低了25.39%。因此，孢囊線蟲侵染可顯著誘導小麥H₂O₂含量升高，而施硅可降低小麥誘導型H₂O₂含量。

2.9 施硅與孢囊線蟲侵染下小麥生理生化指標之間的主成分分析、隨機森林以及相關矩陣

利用主成分分析（PCA） 的方法可以探究施硅0.5 g/kg 與孢囊線蟲侵染下小麥組成型與誘導型生理生化指標的影響，其中PC1 占總方差的38.4%，PC2占總方差的31% （圖6a）。由圖6b 可知，孢囊線蟲侵染下施硅處理與不施硅處理顯著分離。誘導型地下部Si 含量、木質素含量和組成型木質素含量與PC1表現出顯著負相關；組成型H₂O₂ 含量、游離氨基酸含量、誘導型地上部及地下部Si 含量和H₂O₂ 含量與PC2 表現出顯著正相關（圖6c）。

隨機森林回歸結果（圖7a） 表明，小麥組成型抗性指標的mean decrease accuracy 值從大到小依次為游離氨基酸、地下部Si 含量、可溶性蛋白、可溶性糖、總酚、木質素和地上部Si 含量；誘導型抗性指標的mean decrease accuracy 值從大到小依次為可溶性蛋白、木質素、過氧化氫、可溶性糖、游離氨基酸、地下部Si 和總酚含量。據相關性結果分析（圖7b、c）可知，組成型可溶性糖含量和誘導型可溶性蛋白含量與組成型地上部Si 含量、地下部Si 含量、可溶性蛋白含量、木質素含量呈現出顯著正相關；與組成型游離氨基酸含量呈現出顯著負相關；組成型木質素含量與誘導型木質素含量、可溶性蛋白含量和組成型可溶性糖、可溶性蛋白呈現出顯著正相關（Plt;0.05）。

3 討論

3.1 不同濃度硅肥與孢囊線蟲侵染對小麥生長的影響

研究結果表明，不同濃度硅處理對小麥地上部和地下部鮮重、株高、根長和SPAD 值均有不同程度的提高作用，這與劉建華等[40]的研究結果一致，其研究結果表明40 mg/L 的納米硅能顯著提高中華結縷草幼苗的根長、株高、地上部和地下部鮮重。硅進入小麥體內后，會隨著水分和養分通過木質部和韌皮部在植物的不同組織部位進行運輸、遷移和積累，參與到植物組織和細胞器的構建，以及生理代謝活動中[41]，其促進植物生長的原因主要有3個方面：第一，雖然硅不可以直接促進細胞分裂，但可以增加植物細胞壁的延展性，促進植物葉片和莖細胞伸長[42]；第二，硅可使植物根細胞內線粒體數量增多，促進氧化磷酸化的進行，增加根部的呼吸速率和ATP 含量，提高對水分和養分的吸收能力[43]；第三，硅可以提高植物葉片的色素含量從而促進植株的光合作用，促進植株合成更多的有機物[44]。因此，在本研究中硅可能通過促進細胞的伸長、增加根呼吸速率、提高植物的光合作用，從而提高了小麥的株高、根系長勢、地上地下部鮮重和SPAD 值，進而促進了小麥的生長。根系活力是指根系代謝能力，是反映根系吸收土壤養分能力的重要指標。根系活力越大，根系從土壤中獲取養分和水分的能力越強[45]。0.5 g/kg 硅處理的小麥根系活力最大，即使在接蟲處理中，該硅濃度亦為最優處理，且不同濃度硅處理對小麥根系活力均有一定的增強作用。這與鄧接樓等[46]的研究結果一致，其研究表明硅的添加改善了植株體內的營養條件，促進了植株正常生理代謝的進行，從而增加了植株的根系活力。此外，在不同硅濃度中，0.5 g/kg 硅肥用量處理的小麥對菲利普孢囊線蟲表現出較好的抗性，在單株孢囊量這一指標上，分別比Si0、Si0.25、Si1、Si2 處理低67.74%、45.95%、37.50% 和50.00%。占麗平[16]也得出了類似的結果，硅濃度過高反而對植株生長以及對根結線蟲的抗性帶來不利效應。有研究表明過高的硅濃度會對小麥造成一定的毒害，從而降低了硅對植物的正向效應[47?48]，這與本研究的結果類似。

3.2 施硅誘導小麥防御孢囊線蟲病的生理生化機制

3.2.1 施硅與孢囊線蟲侵染對小麥營養物質（基礎代謝） 的影響 植株吸收硅后，硅素在植株細胞表皮沉積，形成“硅?角質”雙層結構，起到一層物理屏障的作用，可減輕病原物入侵和植株細胞壁的酶解作用而帶來的病害[49]；硅還可以促進小麥對氮磷鉀養分的吸收和積累，從而提高小麥的抗逆能力，促進小麥的生長發育[47]。薛高峰[50]研究硅提高水稻對白葉枯病抗性的生理與分子機理中發現，施硅可顯著提高水稻植株地上部和地下部硅含量。本研究亦表明，施硅可以提高小麥植株中的硅含量，而接種孢囊線蟲，對小麥地上部和地下部硅含量并沒有太大的影響，這與占麗平[16]的研究結果一致，施硅可以顯著提高水稻根中硅含量，但根結線蟲的侵染對水稻根的硅含量影響并不顯著。另外，無論如何處理，小麥地下部硅含量均大于小麥地上部硅含量，這與水稻的硅含量分布不同，這種差異被認為是植物根部吸收和裝載硅能力不同導致的[51]。綜上所述，硅的“物理屏障”對小麥抗孢囊線蟲的抗性是具有一定作用的，但該作用是否是硅誘導小麥防御孢囊線蟲的主要作用機制，還需從生理生化機制和分子層面進一步揭示。

可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸均是小麥體內的主要營養物質，也是小麥的基礎代謝物質，前人關于硅對植物可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量影響的報道已經有很多，多數研究均已表明施硅可提高植物的可溶性糖和可溶性蛋白含量[52?53]，與本研究結果一致，研究表明施硅可以通過保持植物光合作用的完整性，促進植物對氮磷鉀等礦質養分的吸收，尤其是對氮素的吸收，促進有機氮化合物的合成和積累來提高可溶性蛋白和可溶性糖含量[52， 54]。本研究亦發現施硅可降低小麥體內游離氨基酸的含量，這與Izaguirre-Mayoral 等[55]的研究結果一致，但與劉景凱等[52]發現的硅肥對大蒜（Allium" sativum）生長和生理特性影響結果相反，這可能受作物類型和環境等外部條件所影響。植物的抗性既包括組成型抗性也包括受到迫害時所表現出來的誘導型抗性[56]，本研究結果顯示，孢囊線蟲侵染可引起小麥根中可溶性糖和游離氨基酸含量升高，而可溶性蛋白含量降低。Han 等[57]在研究施硅對水稻卷葉螟（Cnaphalocrocis medinalis） 的影響時發現，施硅可提高水稻中可溶性蛋白的含量，病原物侵染后可降低水稻的可溶性蛋白含量，該研究結果與本研究結果一致。本研究發現，施硅和孢囊線蟲侵染對小麥可溶性蛋白含量影響的交互作用達顯著水平，也就是說小麥受孢囊線蟲侵染所誘導的可溶性蛋白因施硅處理不同而異。隨著硅肥的添加，孢囊線蟲侵染誘導的可溶性蛋白含量顯著增加，該結果與前人研究所得的結果基本吻合，因此施硅對小麥提高孢囊線蟲抗性的影響，一方面是提高小麥體內組成型和誘導型可溶性糖含量和可溶性蛋白含量，另一方面是降低了組成型游離氨基酸含量，共同促進了植物的生長發育，從而提高了植物對病原物的抵抗能力。植物抗病性的內在機理不僅與植物的基礎代謝相關，還與植物的次生代謝有關。

3.2.2 施硅與孢囊線蟲侵染對小麥次生代謝物質（次生代謝） 的影響 木質素和總酚均屬于植物的次生代謝物質，Belanger 等[58]在研究施硅小麥葉片表皮細胞對白粉病的防御反應時，通過組織學和超微結構分析發現，防御反應主要有形成乳突，產生胼胝質和釋放酚類物質；在細胞壁上的酚類物質可降解病原物的吸器，從而抵御病原物的入侵。楊艷芳等[31]在硅對小麥白粉病的抗性研究中發現，施硅可提高小麥體內的木質素含量，但未達顯著水平，而接種病菌后，施硅可顯著提高木質素含量，這與本研究結果類似。姚秋菊等[59]在研究硅對黃瓜白粉病的抗性時發現，在不接種病菌條件下，木質素含量變化不顯著，接種病菌后，木質素含量顯著升高。范锃嵐[24]采用水培試驗研究了硅對不同抗感紋枯病水稻品種的含量木質素和總可溶性酚的影響，發現接種紋枯病菌后施硅可顯著提高水稻的木質素和總可溶性酚含量。以上研究結果均與本研究結果類似，均表明施硅可增加植物的誘導抗性。本研究表明，施硅可顯著提高木質素和總酚的含量，孢囊線蟲侵染也可使木質素和總酚的含量誘導增加，且在施硅條件下，孢囊線蟲侵染誘導的木質素和總酚含量比不施硅處理有所提高，施硅可通過提高小麥組成型木質素含量和誘導型木質素含量，共同提高小麥對孢囊線蟲的抗性。

3.2.3 施硅與孢囊線蟲侵染對小麥活性氧的影響 H₂O₂ 是植物體內的一類分子量小、易擴散、存留時間長且化學性質較穩定的活性氧，也是植物體內可以反映植物抗性的一類信號分子。饒力群等[60]研究表認為，H₂O₂ 在植物抗病中所起到的作用包括：第一，直接毒害病原物；第二，促使寄主植物細胞壁木質化和細胞壁結構蛋白交聯，誘導產生植保素，從而增強細胞壁的結構，產生病原物侵染寄主早期的防御反應；第三，引發寄主植物的膜脂過氧化作用，導致過敏反應。正常情況下植物體內活性氧的產生與清除處于動態平衡狀態，但當植物受到傷害時，該平衡將被打破產生過多的活性氧，引起膜脂過氧化反應和細胞膜的氧化傷害[61]。魏國強等[62]在研究硅和白粉菌誘導接種對黃瓜幼苗白粉病抗性時亦表明，接種病菌可誘導葉片產生更多的H₂O₂，但施硅可緩解活性氧的積累，以免對寄主細胞產生破壞。本研究結果亦表明，接種孢囊線蟲可誘導產生更多的H₂O₂，施硅緩解了過氧化氫的產生，即與不施硅相比，施硅處理的小麥接蟲后過氧化氫含量有所降低，這說明孢囊線蟲的侵染可誘導小麥根產生過氧化氫，施硅緩解了其誘導效應，對小麥根在一定程度上起到了保護作用。與范锃嵐[24]和薛高峰[50]的研究結果一致，紋枯病和白葉枯病的侵染均可誘導水稻產生更多的H₂O₂，施硅緩解了這一誘導效應。

4 結論

施用硅肥能夠提高小麥植株硅含量，提高小麥根部組成型和誘導型可溶性糖含量、組成型可溶性蛋白以及誘導型游離氨基酸含量，降低組成型游離氨基酸和誘導型可溶性蛋白含量；提高小麥組成型和誘導型總酚含量以及誘導型木質素含量，降低誘導型活性氧含量，從營養物質、次生代謝物質和活性氧方面提高了小麥的組成型和誘導型防御反應，促進了小麥地上地下部的生長，提高了葉片光合能力和根系活力。