红光处理西瓜植株对南方根结线虫抗性的影响

赵仁宗，邓 云，朱迎春，孙德玺，刘君璞

（中国农业科学院郑州果树研究所 郑州 450009）

西瓜是一种重要的园艺经济作物，其甘甜爽口，是夏季消暑解渴的佳品，深受广大群众喜爱。中国是西瓜生产、消费大国，2016年全国种植面积188.15万hm2，总产量达7 904.31万t[1]，栽培面积和产量均居世界首位。随着西瓜设施栽培面积的不断增加，多种病虫害发生也日趋严重，其中根结线虫已成为危害西瓜生产的重要病害[2]，特别是种植结构单一、长期种植瓜类作物的地块，根结线虫的发生更严重，给瓜农造成巨大经济损失。常规的化学防治手段因其高毒高残留、对人畜危害严重而被限制使用，所以寻求一种高效、环保的根结线虫防治方法已迫在眉睫。

许多研究表明，红光在诱导植物抗根结线虫方面具有重要作用。Islam等[3]报道称红光能够提高拟南芥对根结线虫的抗性，明显减少拟南芥根部的根结数量；Yang[4]的研究也表明，红光诱导番茄对根结线虫的系统抗性，这与水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）防御途径有关。在西瓜根结线虫的防治中运用红光处理的研究还未见报道，笔者以对南方根结线虫抗性水平不同的西瓜种质为试材，研究了接种南方根结线虫后，红光夜间补光对西瓜植株相关指标的影响，以期为西瓜病害防治提供新的方法和思路，并为人工光源在农业设施栽培中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试西瓜材料为‘中科1号’和‘红籽瓜’，前者对南方根结线虫表现为感病，后者表现为抗病，均由中国农业科学院郑州果树研究所二倍体西瓜课题组提供。南方根结线虫由南京农业大学植物保护学院李红梅教授提供，在感病番茄‘西粉902’上保存并扩繁。南方根结线虫的收集与接种参照李可等[5]的方法。

1.2 红光夜间补光处理

试验于2017年10月在郑州果树研究所智能光照培养箱里进行。西瓜种子在营养钵（直径10 cm，高10 cm）中播种，植株长到4～5片真叶时进行红光处理，设置白天（8:00—20:00）温度30℃，白光由飞利浦冷光源荧光灯（220 V，15 W）提供，调节光源与幼苗的距离使光强保持在 150 μmol·m-2·s-1；夜间温度 25 ℃（20：00—次日 8：00），照射红光，光强为50 μmol·m-2·s-1。单波红光光源为 LED 灯（220 V，15 W），由深圳市桑恩格瑞光照技术有限公司提供。2个西瓜材料接种南方根结线虫后，夜间进行红光处理，处理时间为0、1、2和3周，不同处理结束后恢复至正常光照环境进行培养，统一在第3周后进行相关指标的测定。处理设置如下：A1：对照，‘中科1号’正常植株（未接种南方根结线虫、未经过红光处理）；A2：‘中科1号’接种南方根结线虫，并经过红光夜间补光；A3：‘中科1号’仅接种南方根结线虫，未经红光夜间补光；A4：‘中科1号’未接种南方根结线虫，仅红光夜间补光。B1：对照，‘红籽瓜’正常植株；B2：‘红籽瓜’接种南方根结线虫，并经过红光夜间补光；B3：‘红籽瓜’仅接种南方根结线虫，未经红光夜间补光；B4：‘红籽瓜’未接种南方根结线虫，仅红光夜间补光。每个处理3次重复，每次重复5株。

1.3 红光诱导抗性的评价指标

1.3.1 根结数统计及根结指数的计算 接种南方根结线虫3周后对西瓜根系中根结数量进行统计，并计算根结指数。参照王志伟等[6]的方法，根结指数GI=根结数/根鲜质量。

1.3.2 植株生物量测定 将西瓜根小心拔起，流水冲洗将根洗净，吸水纸吸干多余水分，分别测定根、茎鲜质量；用直尺测量西瓜株高。

1.3.3 西瓜根系酶活性的测定 接种南方根结线虫后0、1、2和3周分别取样，进行西瓜根系苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、超氧化物歧化酶（SOD）等酶活性（以鲜质量计）的测定。PAL、POD、PPO活性测定使用南京建成生物工程研究所生产的酶活测定试剂盒（产品编号分别为：A137、A084-3、A136），PAL 活性测定以每g组织在每mL反应体系中每min使290 nm吸光度变化0.01为1个酶活力单位。POD活性测定以每g组织在每mL反应体系中每min使420 nm吸光度变化0.1为1个酶活力单位。PPO活性测定以每g组织在每mL反应体系中每min使420 nm吸光度变化0.01为1个酶活力单位。SOD活性测定使用上海碧云天生物技术有限公司生产的酶活测定试剂盒（产品编号为：S0101），SOD活性测定以每g组织在每mL反应体系中每min使450 nm吸光度变化0.1为1个酶活力单位。使用方法均参照试剂盒使用说明，酶活单位用U·g-1·min-1表示。

1.4 统计分析

数据采用Excel 2010进行处理并绘制图表，采用SPSS 12.0中T检验和多重比较分析法对各项指标数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 红光补光处理对接种根结线虫西瓜植株生长的影响

西瓜植株接种南方根结线虫后，正常生长受到严重影响。从图1至图3可以看出，‘中科1号’植株生长受到的影响比‘红籽瓜’更明显，植株株高、地上部鲜质量、根鲜质量等受到的影响均比‘红籽瓜’大。经红光夜间补光后，2个西瓜材料的各生长指标均随着红光处理时间的增加而增加。‘红籽瓜’在红光处理1周后各生长指标即达到正常植株水平，2周或3周后，各生长指标均已超过正常植株水平；而经红光处理的‘中科1号’植株，在红光处理的前2周均未达到正常植株水平，直到第3周时才达到并超过正常植株水平。

图1 红光对西瓜株高的影响

图2 红光对西瓜地上部鲜质量的影响

图3 红光对西瓜根鲜质量的影响

2.2 红光补光处理对南方根结线虫侵染后的影响

接种过南方根结线虫的西瓜植株，抗性材料‘红籽瓜’的根结数明显少于感性材料‘中科1号’；经过红光夜间照射后，2个材料的根结数均未随着红光照射时间的增加而降低（如图4所示）。但‘中科1号’的根结指数随着红光处理时间的增加而显著降低，‘红籽瓜’的根结指数虽然也随红光处理时间的增加而降低，但变化幅度远没有‘中科1号’的明显（由图5所示）。红光处理3周的‘中科1号’根结指数与未经红光处理的植株相比降低了65.04%，而‘红籽瓜’中，红光处理3周的植株比未经红光处理的植株降低了36.24%。

图4 红光对西瓜根结数的影响

图5 红光对西瓜根结指数的影响

2.3 红光对西瓜根系抗性相关酶的影响

由图6可知，仅接受红光照射的处理A4、B4西瓜植株与各自对照（A1、B1）相比，其 PAL、PPO、POD、SOD活性均没有显著差异，说明单独照射红光对2个西瓜材料的PAL、PPO、POD、SOD活性没有影响。接种过南方根结线虫的处理A2、A3、B2、B3的PAL活性均显著高于各自对照，并随着南方根结线虫接种时间的增加而升高，‘红籽瓜’中PAL活性的变化幅度比‘中科1号’大。接种过南方根结线虫的西瓜植株经红光处理后，A2比A3的PAL活性在红光处理2周和3周后均有明显升高，但未达显著差异，但B2在红光处理2周后显著高于B3，PAL活性比B3高10.30%，表明红光处理西瓜植株后，红光对‘红籽瓜’感病植株的PAL活性影响比‘中科1号’的影响要大。

接种南方根结线虫后，2个西瓜材料的PPO活性均是先降低后升高，最后再降低的变化趋势，在第2周时，‘中科1号’和‘红籽瓜’的PPO活性均达到最高水平。但红光照射后并没有对2个西瓜材料的PPO活性产生明显的影响。

图6 红光处理后西瓜根系PAL、POD、PPO、SOD等酶活性的变化

2个西瓜材料的POD活性在接种南方根结线虫后，呈先上升后下降的趋势，均在第1周时达到最高，之后随着接种时间的增加而持续下降。但‘红籽瓜’接种南方根结线虫后POD活性变化幅度比‘中科1号’大。红光处理后A2的POD活性在第1周和第2周均显著高于A3，说明红光处理增加了‘中科1号’感病植株的POD活性。红光处理后B2的POD活性也在第1周和第2周是显著升高，且变化幅度高于‘中科1号’。

接种南方根结线虫后，2个西瓜材料的SOD活性均呈现先下降后上升的趋势，‘红籽瓜’中SOD活性下降的幅度比‘中科1号’大。经红光处理后，A2比A3在红光处理后1周和2周时SOD活性略有下降，但未达显著水平；B2比B3在红光处理后2周和3周时SOD活性显著降低。说明红光处对‘中科1号’感病植株的SOD活性的影响不大，但能显著降低‘红籽瓜’感病植株中的SOD活性。

3 讨论与结论

3.1 红光对西瓜感病植株生长的影响

南方根结线虫侵染西瓜根系后，刺激根部形成根结，破坏根细胞正常结构，对水分、营养元素的吸收有不利影响，抑制植株的正常生长发育[7]，导致其株高、地上部鲜质量、根鲜质量等指标均受到影响[8]，这可以从本试验结果得到进一步证实。南方根结线虫侵染的西瓜植株，经红光处理后，‘中科1号’、‘红籽瓜’形成的根结个数与未经红光处理的植株相比没有减少（图4），但根结指数显著降低（图5），且能使2个材料的植株株高、地上部鲜质量、根系鲜质量等都达到或超过正常水平，一方面可能是因为红光处理诱导某种抗病相关途径的激活，产生或提高了某种抗性物质的产生，抑制了南方根结线虫的正常发育，减轻了南方根结线虫对植株造成的危害，Yang等[8]的研究即证明了红光能诱导激活番茄植株的水杨酸抗病途径，涉及活性氧及木质素等的合成；另一方面可能是因为红光也是光合作用有效的光源，能进行光合作用产生有机物，显著增加植株根系鲜质量，使根系吸收更多地营养，植株更强壮，使西瓜植株对南方根结线虫的抵抗能力增强。Islam[3]等研究得出红光能够提高拟南芥对根结线虫的抗病性，显著减少拟南芥根部的根结数量。与本试验的研究结果不同，可能是不同植物材料对红光的敏感程度存在差异，诱导抗性的发生机制不同，导致其诱导抗性的效果有所差异。红光处理2个西瓜材料对南方根结线虫的抗性的影响比较中，感病材料‘中科1号’的根结指数降低幅度明显比‘红籽瓜’大，但从株高、地上部鲜质量、根系鲜质量等方面的对比中，红光处理后的‘中科1号’和‘红籽瓜’的感病植株也都能达到甚至超过正常植株的生长水平，说明红光对南方根结线虫病害的西瓜植株有一定的治疗效果，能使感病材料‘中科1号’抗性显著增加，使抗性材料‘红籽瓜’的抗性更强。本研究结果验证了Mutar[9]等人的研究结论，红光处理后能够提高植物对南方根结线虫的抗性。

3.2 红光对西瓜感病植株抗性相关酶活性的影响

根结线虫侵染不但从表观上严重抑制西瓜的正常生长，而且，线虫侵染还会引起植株体内一系列生理生化反应。苯丙烷类代谢产生的木质素、酚类物质及类黄酮等次生物质在抵御病虫害及构成植物支撑系统等方面具有重要意义[10]。PAL是苯丙烷类代谢途径中的关键酶和限速酶，参与抗性相关物质酚类、植保素和木质素等的合成，这些物质与植物的防卫反应及抗病性密切相关。因此，PAL的活性升高，其植株抗性增强[11]。POD能催化单体木质素聚合形成木质素，木质素是苯丙烷代谢的终产物，细胞壁中不同部位的木质素能提高植物组织的机械强度，并能有效抑制病原微生物的生长。POD活性升高被认为是抗性水平提高的表现[12]。本研究中，接种南方根结线虫后，‘中科1号’和‘红籽瓜’的PAL、POD活性均升高，‘红籽瓜’的变化幅度高于‘中科1号’，可能是因为‘红籽瓜’作为抗南方根结线虫的野生西瓜材料，遭到南方根结线虫侵染后，其抗病生理生化反应比感病的‘中科1号’更为剧烈。这与叶德友[11]、徐小明[13]、Ramesh[14]等人的研究结果一致。

PPO是苯丙烷代谢途径中重要的氧化酶，能将酚类物质氧化转变为高毒性的醌类物质，对病原物产生毒害作用[15]，因此PPO活性的增加与寄主植物的抗病性密切相关。本研究中，2个材料的PPO活性均呈现先降低后升高再降低的动态变化，这可能与植株体内活性氧清除系统的自我调节有关[16]。

大量的试验研究表明，植物体内活性氧酶清除系统在抗病过程中活性氧保持动态平衡起着十分重要的作用，PPO、POD与SOD相互协调，共同维持植物体内活性氧生成与清除的相对平衡。Rajasekhar[17]等研究番茄对南方根结线虫的反应时发现，在感病反应中SOD活性升高,抗病反应中活性下降或或无显著的变化。本研究结果表明，接种南方根结线虫后，2个材料的SOD活性在线虫侵染后均有不同程度的降低，‘红籽瓜’的降低幅度比‘中科1号’的大。这可能是由于南方根结线虫侵染后，根系SOD活性下降有利于提高其活性氧水平，而活性氧积累可对南方根结线虫直接产生毒害，产生对南方根结线虫的抗性[18]。

经红光夜间补光处理后，‘中科1号’和‘红籽瓜’的PAL、POD活性均比未经红光处理的植株有显著提高，‘红籽瓜’中PAL、POD的活性变化幅度均比‘中科1号’大；2个材料的SOD活性均有所降低，同样也是‘红籽瓜’中的SOD活性变化幅度比较大。这些变化说明了红光处理西瓜植株对南方根结线虫有一定的防治效果，能提高西瓜植株对南方根结线虫的抗性，使感病材料‘中科1号’对南方根结线虫产生了一定的抗性，使抗病材料‘红籽瓜’对南方根结线虫的抗性进一步增强。PAL、POD、SOD等保护酶类均是苯丙烷类代谢的关键酶类，它们相互协调，共同发挥作用，使生物合成的木质素含量增加，加厚了细胞壁，在抵御线虫侵染的过程中发挥了重要作用。姜爱丽[19]等的试验表明，蓝莓经SA处理能促进其果实苯丙烷代谢进程，使木质素合成增加，有效抵御有害微生物入侵；而Yang[8]、Islam[3]、Wang[20]等的研究证实，红光能诱导植物的SA代谢途径增加其对病害的抗性。由此可推断，本试验中红光处理也可能诱导了西瓜植物体内的SA途径，增加了西瓜对南方根结线虫的抗病，其具体机制还需进一步试验验证。

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