硅对燕麦幼苗秆锈病抗病能力的作用

李英浩 吕 品 米俊珍 赵宝平 刘景辉 薛国兴

(内蒙古农业大学 农学院，呼和浩特 010019)

燕麦(

Avena

sativa

L.)是我国北方农牧交错区和西北干旱区等生态脆弱区主要的粮饲兼用作物及优势特色作物，具有抗旱、耐瘠薄和适应性强等特性。燕麦秆锈菌(

Puccinia

graminis

f. sp

.

avenae

)引起的秆锈病是影响燕麦产量和品质的重大病害之一，在我国东北三省和内蒙古自治区等地普遍发生且严重。植株感病后不但千粒重降低、面粉色黑不筋，而且茎秆易折断、籽粒质量下降，据调查结果显示，燕麦秆锈病流行造成产量损失达5%以上。目前在燕麦生产中, 对秆锈病的防治主要通过大量使用化学杀菌剂，这不但会严重污染环境, 而且会大大降低籽粒的食用安全性。因此如何增强燕麦植株本身的抗病性, 特别是提高植株的系统获得抗病性是目前亟待研究的问题。硅是地壳中最丰富的元素之一，虽然该元素不是植物生长的必要元素，但在提高植物抗病性上有重要作用，如硅对水稻白叶枯病、番茄根腐病、黄瓜炭疽病、番茄腐霉病和豇豆锈病等病害均有一定的防治效果，因此，探究硅对燕麦秆锈病的防效，对于开辟秆锈病防治的新途径和燕麦的安全高效生产具有重要意义。

杨艳芳等研究指出，外源硅能显著降低小麦白粉病的严重度, 相对免疫效果达38.8%，同时接种白粉病后, 硅显著地提高了叶片净光合速率，抗氧化酶活性以及渗透调节物质含量，意味着硅可通过参与植物的生理生化反应, 从而提高植物抗病性。目前，关于外源硅增强燕麦秆锈病抗性的研究尚未见报道，本研究以易感秆锈病的燕麦品种‘坝莜1号’为试验材料，用不同浓度的硅酸盐处理后，测定燕麦秆锈病抗性、叶片光合性能、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量等指标，旨在探究硅在燕麦抗秆锈病过程中的生理功能，以期为应用硅防治燕麦秆锈病提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用易感秆锈病的燕麦品种‘坝莜1号’为试验材料，供试燕麦秆锈菌从张家口市农业科学院燕麦生产试验田采集，试验所用的硅酸盐(KSiO)及其他化学试剂均为分析纯，所用营养液参照Hoagland经典配方进行配置。

1.2 试验方法

1

.

2

.

1

燕麦幼苗培养

试验采用盆栽方法，供试土壤为蛭石与泥炭土按质量比为1∶1的比例混合而成。泥炭土中 N+P+K含量>10 g/kg，有机质含量>50 g/kg，pH 7.0～8.5。塑料盆高12 cm，直径15 cm，每盆装混合土1 kg，种子经次氯酸钠消毒后播种在花盆中，每盆10粒。燕麦出苗后将花盆置于日光温室中进行培养。

1

.

2

.

2

接种方法

待燕麦幼苗第一叶充分展开即一叶一心时期，参照李天亚描述的方法进行接种。具体方法：将分离纯化后的秆锈病菌置于培养皿内，首先用前端削成扁平的牙签挑取秆锈菌均匀涂抹于叶片背面，接种时各叶片涂抹菌要定量且保持一致。接种后的叶片用0.05 %‘吐温-20’水溶液喷雾形成保湿膜，放置在16～18 ℃的黑暗环境中保湿16～20 h后，移入人工温室内进行培养，温度控制在20～25 ℃，14 h(光)/10 h(暗)，接种6 d后开始每天观察病斑(夏孢子堆)发展情况，待接种15 d观测侵染后表型(发病率、严重度等指标)。

1

.

2

.

3

试验设计

设置7个外源硅(KSiO)浓度梯度，分别为0(对照，CK)、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mmol/L，不同处理的营养液中通过添加相等浓度的氯化钾(KCl)来补充由于硅的浓度不同而带来的钾含量的差异，每个处理3次重复。从燕麦出苗开始每隔3 d分别用不同浓度的含硅营养液进行浇灌，每盆约200 mL，待幼苗长至“一叶一心”时进行接种，待接种15 d后观察病斑(夏孢子堆)发展情况。

1

.

2

.

4

测试指标及方法

待接种秆锈病菌后第15天进行各指标测定并取样，取样部位为带有明显秆锈菌孢子的叶片。

秆锈病侵染型包括发病率：发病叶片数占调查叶片总数的百分率，%。

严重度：病叶上秆锈菌夏孢子堆所占据的面积与叶片总面积的百分率，%。

最高病级：分级标准参照Stewart等的方法。

采用硅钼蓝比色法测定叶片硅含量；采用烘干称重法测定幼苗干鲜重；采用乙醇提取法测定叶绿素含量；应用CIRAS-3便携式光合作用测定系统测量光合参数(净光合速率

P

、蒸腾速率

T

、气孔导度

G

、胞间CO浓度

C

)；用FMS-2便携式脉冲调制式荧光仪测定叶绿素荧光参数(初始荧光

F

、最大荧光

F

、光化学效率

F

/F、光合性能指数PI)。可溶性蛋白含量、叶绿素含量、脯氨酸含量、丙二醛MDA含量、过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性等指标的测定参照李合生的方法。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 2016软件进行处理和作图，利用SPSS 22.0软件进行方差分析，并运用Duncan’s检验法对显著性差异进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同硅浓度对燕麦秆锈病防效的影响

从图1可知，施用不同浓度的硅后，叶片表现出不同的发病状况，且随着硅浓度的增加叶片所产生的秆锈菌孢子量呈现“先减少后增多”的变化趋势，0 mmol/L硅处理的叶片上孢子量最多，1.5 mmol/L硅处理的叶片孢子量最少，叶片仅表现出褪绿发黄现象。因此，外源施用硅可以有效提高燕麦秆锈病抗性，且以1.5 mmol/L为最佳浓度。

K2SiO3浓度/(mmol/L)Concentrations of K2SiO3图1 不同浓度硅处理下燕麦秆锈病的抗病效应Fig.1 Resistance to oat stem rust under different concentrations of silicon

由表1可知，施用硅酸盐溶液可显著降低燕麦叶片秆锈病的发病率和严重度，即在KSiO浓度为0～1.5 mmol/L时，硅浓度越高，燕麦秆锈病的发病率、严重度及最高病级越低，不同硅浓度处理对秆锈病的防治效果具有显著差异(

P

<0.05)。1.5 mmol/LKSiO时，燕麦秆锈病的发病率、严重度显著低于其他处理，而防治效果均显著高于其他处理(

P

<0.05)。1.5 mmol/L KSiO时，燕麦叶片的发病率和严重度比对照分别降低27.96%和35.32%，防治效果提高31.25%，且病级水平最低。综上，施用1.5 mmol/L的KSiO对燕麦秆锈病具有最佳的防治效果。

表1 不同浓度硅处理对燕麦秆锈病的防治效果
Table 1 Control effect of different treatments of silicon concentrations on oat stem rust

K2SiO3浓度/(mmol/L)Concentration of K2SiO3发病率/%Incidence最高病级Highest disease level防治效果/%Control effect严重度/%Severity0 (CK)100.00±0.00 a4级0.00±0.00 f7.05±0.14 a0.595.96±2.22 b4级6.56±0.28 e6.85±0.27 a1.090.70±1.46 c3级21.25±0.23 d6.02±0.15 b1.572.04±1.87 e2级31.25±0.86 a4.56±0.20 c2.082.04±1.70 d3级30.25±0.61 b6.74±0.17 b2.582.33±2.05 d3级25.45±0.51 c6.21±0.25 b3.083.53±1.55 d3级25.25±0.26 c6.25±0.24 b

注：不同的小写字母表示不同处理之间在0.05水平上差异显著。数值是3个重复变量的平均值±标准误差。下同。
Note: Different lowercase letters indicate that there is a significant difference at the level of 0.05 between different treatments. The value is the mean±standard error of the three repeated variables. The same below.

2.2 不同硅浓度对燕麦幼苗干鲜重的影响

由图2可知，在KSiO0～1.5 mmol/L时，燕麦幼苗的单株干重和鲜重均随硅浓度的增加而增加，1.5 mmol/L KSiO时，幼苗的干重和鲜重显著高于其他浓度处理，且燕麦幼苗的单株干重和鲜重比CK分别增加90.91%和74.71%(

P

<0.05)；当KSiO从1.5增至3.0 mmol/L时，幼苗的单株干重和鲜重均基本维持不变。综上，在秆锈菌侵染条件下，1.5 mmol/L KSiO为可促进燕麦幼苗生长的最佳浓度。

不同的小写字母表示不同处理之间在0.05水平上差异显著。数值是3个以上重复变量的平均值±标准误差。下同。Different lowercase letters indicate that there is a significant difference at the level of 0.05 between different treatments. The value is the mean ±standard error of the three repeated variables. The same below.图2 不同浓度硅处理的燕麦幼苗的干重(a)和鲜重(b)Fig.2 Dry weight (a) and fresh dry weight (b) of oat seedlings under different treatments of silicon concentrations

2.3 不同硅浓度对燕麦叶片硅含量和叶绿素含量的影响

由图3可知，不同硅浓度处理均对燕麦幼苗叶片中硅含量及叶绿素含量产生一定程度的影响。KSiO浓度为0～1.5 mmol/L时，叶片硅含量及叶绿素含量均随硅处理浓度的增加而增加。其中1.5 mmol/L 的KSiO处理下，叶片硅含量和叶绿素含量相比CK分别提高66.67%和18.67%；当KSiO从1.5增至3.0 mmol/L时，叶片硅含量基本保持不变，而叶绿素的含量显著下降。

图3 不同硅浓度处理的燕麦叶片的硅(a)和叶绿素(b)含量Fig.3 Silicon content (a) and chlorophyll content (b) of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

2.4 不同硅浓度对燕麦叶片光合参数的影响

由表2可知，接种秆锈病菌后，施用不同浓度的硅对燕麦叶片各项光合参数均产生较大影响，在KSiO浓度为0～1.5 mmol/L时，燕麦叶片的

P

、

T

、

G

及

C

均随硅处理浓度的增加逐渐升高，当硅浓度增加到1.5 mmol/L后，各项值开始下降。与CK相比，1.5 mmol/L KSiO燕麦叶片的

P

、

T

、

G

及

C

值分别升高51.47%、285.71%、285.71%和27.78%；与1.5 mmol/L KSiO处理相比，3.0 mol/L KSiO处理的叶片

P

、

T

、

G

及

C

值分别降低15.86%、68.15%、53.09%和22.06%。

表2 不同浓度硅处理的燕麦叶片的光合参数
Table 2 Photosynthetic parameters of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3浓度/(mmol/L)Concentrationof K2SiO3净光合速率/(μmol/(m2·s))Pn蒸腾速率/(mmol/(m2·h))Tr气孔导度/(mmol/(m2·s))Gs胞间CO2浓度/(μmol/mol)Ci0 (CK)2.04±0.04 e0.35±0.02 f0.021±0.012 e262.50±4.29 e0.52.05±0.04 e0.39±0.02 f0.023±0.007 d269.20±6.88 e1.02.36±0.03 d1.12±0.03 c0.052±0.017 bc301.11±8.40 c1.53.09±0.03 a1.35±0.03 a0.081±0.010 a335.42±9.65 a2.02.99±0.04 b1.30±0.02 b0.074±0.014 ab320.53±10.53 b2.52.65±0.03 c0.93±0.02 d0.040±0.010 cd284.82±5.35 d3.02.60±0.02 c0.42±0.01 e0.038±0.020 cd261.41±3.97 e

2.5 不同硅浓度对燕麦叶片荧光参数的影响

由表3可知，在秆锈病菌侵染条件下施用不同浓度的硅溶液，燕麦叶片各项荧光参数均出现明显变化，

F

、

F

/

F

及PI均随硅处理浓度的增加呈现出逐渐升高的变化趋势，

F

变化趋势相反，当KSiO>1.5 mmol/L时，除

F

外其余各项值逐渐显著降低(

P

<0.05)。1.5 mmol/L KSiO处理的燕麦叶片

F

、

F

/

F

及PI比CK分别升高19.62%、7.69%和5.84%，

F

比CK降低9.82%；与1.5 mmol/L KSiO处理相比，3.0 mmol/L KSiO处理的叶片

F

、

F

/

F

及PI分别降低15.32%、5.95%和5.52%，而

F

升高9.80%。

表3 不同浓度硅处理的燕麦叶片荧光参数
Table 3 Fluorescence parameters of oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3浓度/(mmol/L)Concentration of K2SiO3初始荧光Fo最大荧光Fm光化学效率Fv/Fm性能指数PIABS0 (CK)443.49±7.77 a2 059.38±28.16 c0.78±0.03 b1.37±0.02 c0.5439.12±9.67 ab2 087.20±37.51 c0.79±0.03 b1.39±0.02 bc1.0421.15±10.49 c2 156.43±27.44 b0.80±0.02 b1.40±0.02 bc1.5399.95±7.37 d2 463.45±29.80 a0.84±0.02 a1.45±0.02 a2.0402.71±8.89 d2 156.58±17.27 b0.81±0.03 ab1.42±0.03 ab2.5425.02±5.20 bc2 100.67±33.09 c0.80±0.01 b1.39±0.01 bc3.0439.16±9.05 ab2 086.15±15.00 c0.79±0.02 b1.37±0.02 c

2.6 不同硅浓度对燕麦叶片抗氧化酶及渗透调节物质的影响

由表4可知，秆锈病侵染条件下，不同浓度硅处理对燕麦叶片中抗氧化酶活性及渗透调节物质含量的影响也不同。在KSiO0～1.5 mmol/L时，随着硅浓度不断增大，叶片SOD和POD活性逐渐升高，而MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量逐渐降低。当KSiO>1.5 mmol/L时，各项指标随硅浓度增加均呈现与前一阶段相反的变化趋势。1.5 mmol/L KSiO处理的燕麦叶片SOD和POD活性比CK分别升高35.66%和28.88%，MDA、可溶性蛋白和脯氨酸含量比CK分别降低50.00%、27.45%和16.62%。

表4 不同浓度硅处理的燕麦叶片抗氧化酶及渗透调节物质
Table 4 Aantioxidant enzymes and osmotic regulators in oat leaves under different treatments of silicon concentrations

K2SiO3浓度/(mmol/L)Concentrationof K2SiO3超氧化物歧化酶活性/ (U/g)Superoxide dismutaseactivity过氧化物酶活性/(U/g)Peroxidase activity丙二醛含量/(mmol/g)Malondialdehydecontent可溶性蛋白含量/(g/g)Soluble proteincontent脯氨酸含量/(μg/mg)Proline content0(CK)5 525.95±88.28 d3.22±0.06 e0.16±0.02 a21.20±0.07 a401.80±5.05 a0.56 445.01±82.10 c3.36±0.07 f0.14±0.02 a19.85±0.12 b396.46±6.90 a1.06 889.87±93.63 b3.55±0.05 d0.12±0.01 ab17.52±0.05 d386.01±9.35 a1.57 496.48±99.05 a4.15±0.08 a0.08±0.02 c15.38±0.07 f335.01±10.41 c2.07 523.75±100.25 a3.95±0.03 b0.09±0.01 bc16.23±0.04 e345.40±12.93 bc2.57 012.73±97.34 b3.75±0.09 c0.13±0.04 ab17.41±0.05 d352.45±8.60 b3.06 958.31±70.67 b3.52±0.03 d0.14±0.03 a19.36±0.03 c386.07±7.74 a

3 讨 论

硅对植物的生长发育有良好的促进作用，主要表现在促进植物健壮生长、提高植物对干旱胁迫、盐胁迫和细菌或真菌病害等胁迫的抵御能力。薛高峰等研究发现，水稻遭受白叶枯病菌侵染后，外源施用硅处理的植株生物量均显著高于不加硅处理。这与本研究结果一致，施硅后可以显著提高秆锈病胁迫下燕麦幼苗的干鲜重。Dannon等研究结果表明，外源施用硅能显著降低番茄青枯病的发病率，降低病情指数。本研究结果显示，外源施用硅同样可以显著降低燕麦秆锈病的发病率，显著增强燕麦的抗病性，且与其他处理相比，1.5 mmol/L KSiO处理燕麦对秆锈病具有最佳的防治效果。

植物的光合作用是干物质积累形成的基础，较高的光合碳同化能力是植物生存的前提。研究表明，导致植物光合效率下降的原因分为气孔限制(

G

和

C

同时下降)和非气孔限制(

G

下降而

C

维持不变或者上升)2种。本研究中，燕麦叶片

P

、

G

和

C

随着硅浓度的增加而提升，由此推测，秆锈病侵染条件下施硅可以通过调节叶片气孔开闭进而促进光合作用。植物受到病菌侵染后，叶片光合机构受到损伤，叶片的叶绿体片层结构遭到破坏，叶绿素含量降低，直接影响叶片的光合作用，有研究表明硅元素可缓解因病菌侵染导致的光合代谢紊乱，本研究也印证了这一结果，接种秆锈病菌后外源施用硅可以通过改变叶片的荧光动力学参数提高光合能力。然而李焕丽等研究指出，适量施硅可以有效提高黑穗病病原菌接种的甘蔗叶片的

P

，一旦施硅过量，则导致甘蔗叶片

C

升高，进而降低

P

；这与本研究结果不同，秆锈病侵染下施用高浓度硅会降低燕麦叶片的

C

，这可能是由于作物种类的不同。

目前关于施用硅可加强植物对真菌病害的防御能力有2种不同的观点。一种观点认为硅在细胞中聚集起到了物理屏障的作用，不仅防止真菌菌丝的入侵，而且还减轻了真菌对细胞壁的降解作用，这可能是硅提高燕麦秆锈病抗性的一方面原因。另一种观点认为硅可参与植物寄主和病原物相互作用的生理代谢过程，经过一系列生理生化反应和信号转导，激活寄主防卫基因，诱导植株系统抗病性的表达而起到了抑制病害的作用。SOD和POD是与植物抗病相关的抗氧化酶，主要功能是通过歧化反应清除超氧阴离子自由基。本研究中，外源施用硅显著提高秆锈病侵染条件下燕麦叶片SOD和POD活性，从而提高燕麦对秆锈病菌的抗性。MDA是膜脂过氧化作用的末端产物，其含量能够代表膜脂过氧化的程度。本研究结果显示，施用较高浓度的外源硅可使叶片MDA含量降低，说明秆锈病胁迫下较高浓度的硅能够降低电解质外渗率，抑制丙二醛积累，抑制膜脂过氧化作用。综上所述，外源施硅可以有效降低燕麦的秆锈病发病率，具有良好的抗病效果。有关硅在植物抗病过程中的生理机制是复杂的，需要进一步深入的研究和验证。

4 结 论

接种秆锈病菌条件下，与0 mmol/L(CK)相比，施用1.5 mmol/L KSiO可显著提高燕麦幼苗秆锈病抗性、光合特性(

P

、

T

、

G

、

C

、

F

、

F

/

F

和PI)、叶绿素含量、抗氧化酶活性(SOD、POD)和渗透调节物质的含量(可溶性蛋白和脯氨酸)。由此说明，外源施用硅能通过参与燕麦的生理生化反应提高幼苗抗秆锈病的能力，且以1.5 mmol/L为最佳硅浓度。