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小麦—西瓜间作体系中根系分泌物的变化及其对西瓜枯萎病抗性的影响机制

吕慧芳  
【摘要】:西瓜连作栽培普遍存在,连作障碍日益加剧,严重限制我国西瓜的发展。采用与其他作物合理间作种植,是克服连作障碍的有效方法,但具体作用机制有待研究。本文研究了小麦和西瓜根系分泌物对西瓜种子萌发、幼苗生长和西瓜尖孢镰刀菌(FON)生长的影响;在此基础上研究了小麦-西瓜间作与西瓜单作接种枯萎病菌后对西瓜生长发育、枯萎病发生和土壤微生物的影响;鉴定比较了小麦和西瓜根系分泌物的差异及其对FON生长的影响;研究了小麦-西瓜间作和西瓜单作下根系分泌物的变化与西瓜枯萎病发生的关系;研究了小麦-西瓜间作和西瓜单作下枯萎病发生与根系SA合成和抗病基因表达之间的关系,以期为小麦-西瓜间作提高西瓜枯萎病抗性的研究提供依据。所取得主要结果如下。1.在10 mL plant~(-1)-0.5 mL plant~(-1)浓度范围内,小麦根系分泌物对西瓜幼苗生长表现出低浓度的促进效应,以5 mL plant~(-1)根系分泌物的促进效果最佳。3个品种小麦根系分泌物对西瓜枯萎病病原菌的生长均表现出显著的抑制作用,抑制作用最强的浓度为0.5 mL plant~(-1)。综合各项指标,E18小麦根系分泌物处理促进西瓜幼苗生长和抑制西瓜尖孢镰刀菌生长的效果强于EM352、ZM9023。在0.01 g mL~(-1)-0.1 g mL~(-1)浓度范围内,西瓜根系分泌物对西瓜尖孢镰刀菌的产孢量、孢子萌发和菌丝生长均表现出较强的促进作用;相反,小麦根系分泌物对西瓜尖孢镰刀菌的产孢量、孢子萌发和菌丝生长均表现出抑制作用。2.与西瓜单作相比,小麦-西瓜间作体系FON接种后降低了西瓜枯萎病的发生。采用西瓜与小麦根系不分隔和尼龙网分隔处理显著提高了西瓜根系活力,提高叶绿素含量、净光合速率,胞间CO_2浓度和气孔导度,增强西瓜植株长势,西瓜单瓜重增加,同时西瓜根际土壤中真菌和尖孢镰刀菌数量降低,细菌和总微生物数量升高,西瓜根际土壤脲酶和过氧化物酶活性提高,西瓜生长前期土壤蔗糖酶、蛋白酶和磷酸酶活性和生长中期根际土壤脱氢酶活性提高,西瓜植株枯萎病发病率也显著降低。3.小麦和西瓜根系分泌物的种类和数量具有差异,小麦根系分泌物中香豆酸的含量占酚酸量的比例最高,香豆酸对西瓜尖孢镰刀菌的生长抑制最大。在西瓜根系分泌物中检测到对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、丁香酸、阿魏酸、水杨酸、肉桂酸,西瓜根系分泌物中的邻苯二甲酸、水杨酸和总酚酸含量均为小麦根系分泌物中的3倍;在小麦根系分泌物中检测到香豆酸、邻苯二甲酸、丁香酸、水杨酸,其中含量最高的是香豆酸,占检出酚酸总量的50%。针对特有酚酸进行外源添加试验,结果表明,在40μM以上,对羟基苯甲酸、阿魏酸和肉桂酸对西瓜尖孢镰刀菌的产孢量、孢子萌发和菌丝生长有促进作用,且随着浓度的升高而逐渐增强,表现出剂量效应。在20μM以上,香豆酸对西瓜尖孢镰刀菌的产孢量、孢子萌发和菌丝生长有抑制作用,浓度越高抑制作用越强,也呈现出剂量效应。西瓜和小麦根系分泌物中检测到草酸、苹果酸、柠檬酸和延胡索酸四种有机酸。西瓜根系分泌物中检测到草酸、苹果酸、柠檬酸、琥铂酸和延胡索酸,并且每一种有机酸含量都显著高于小麦根系分泌物中的含量,有机酸总量是小麦根系分泌物中的14倍。4.与西瓜单作相比,小麦-西瓜间作体系FON接种后西瓜根际土壤中尖孢镰刀菌数量下降。FON接种后15 d和25 d,小麦间作的西瓜植株枯萎病发病率较西瓜单作分别降低了11.11%和20%。研究根系分泌物在小麦间作减轻西瓜枯萎病中的响应发现,FON接种后显著增加了单作西瓜根系分泌物中酚酸类和有机酸类物质的含量,随着西瓜的生长,其含量也逐渐增加。然而,小麦间作则减少了这种增加的趋势。表明小麦间作通过调节西瓜根系分泌酚酸和有机酸的量,减轻了西瓜枯萎病的发生。5.与西瓜单作相比,小麦-西瓜间作体系FON接种后强烈诱导了西瓜根系SA合成和抗病相关基因的表达,提高了对枯萎病的抗性。通过研究间作小麦和接种FON对西瓜根系内源水杨酸(SA)的影响,以及内源SA在提高西瓜枯萎病抗性中的作用,结果表明FON接种后能引起西瓜根系中游离态和结合态SA含量升高,而小麦-西瓜间作体系中,西瓜根系SA含量高于西瓜单作,并且小麦间作启动PAL1、PAL2、PAL7、PAL12和ICS基因表达量显著上调,强烈诱导根系中SA合成关键酶-PAL酶和BA2H酶活性的升高,表明小麦间作通过较早较强启动SA合成相关基因表达及合成关键酶活性的增加,提高西瓜根系SA的含量。与西瓜单作相比,小麦-西瓜间作体系FON接种诱导西瓜根系中抗病相关基因(NPR1、PR1、PR2、WRKY1、WRKY6、WRKY8)、防御素基因(CIPDF2.1、CIPDF2.4)和抗氧化酶基因(CAT、SOD、APX、PPO)的表达量显著上调或基因表达达到峰值启动的时序提前。小麦间作提高了西瓜根系抗氧化酶(CAT、SOD、APX、PPO)、几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性,提高了根系总酚和类黄酮含量,降低根系内MDA和H_2O_2含量,表明小麦间作的西瓜根系SA诱导了抗病相关基因表达、并通过对抗氧化系统的调控进一步提高西瓜枯萎病的抗性。


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