条纹病对不同抗性青稞品种生理特性的影响

杨 雪，姚晓华*，吴昆仑，姚有华，迟德钊*

( 1.青海大学，青海 西宁 810016；2.青海省农林科学院/青海省青稞遗传育种重点实验室/国家麦类改良中心青海青稞分中心，青海 西宁 810016)

【研究意义】青稞(Hordeumvulgarevar.coelesteL.)是青藏高原上的优势特色农作物之一，属于禾本科小麦族大麦属，是大麦的变种，因其内外颖壳分离，籽粒裸露，故又称裸大麦、元麦、米大麦[1]。青稞具有加工食用，饲养牲畜，酿造青稞酒及药用等多种用途[2]，因其籽粒含有较高蛋白质、高纤维、高维生素 和较低的糖和脂肪(俗称三高两低)，得到了人们的关注[3]。在海拔4200 m以上高寒地带，青稞是唯一能正常成熟的谷物[4]。在该种植区域由于连年种植，没有进行轮作，导致大面积发生条纹病[5]。【前人研究进展】条纹病是大麦生产的一种主要的种传病害，主要由麦类核腔菌Pyrenophoragraminea(无性态Drechsleragraminea)引起的，属于真菌性病害[6]。条纹病具有存活时间久、危害重、分布范围广、传播途径多、难防治特点[7]，随着感病等级的增加，谷物产量，分蘖数，粒重和物生物量都减少[8]，严重地影响了大麦的产量和品质[9]。条纹病在大麦种植国家及地区害普遍发生[10]；在我国，青稞发病较严重地区的死亡率可达30 %～40 %[11]。目前青稞条纹病的研究主要集中在发生和防治方向[12]，对青稞条纹病发生的生理机制的研究较少。【本研究切入点】本研究利用高抗病青稞品种“昆仑14号”，高感青稞品种“Z1141”为试验材料，通过检测条纹病侵染的程中主要生理生化指标的变化，揭示不同抗病青稞品种对条纹病生理响应的差异。【拟解决的关键问题】此研究不仅有助于了解青稞条纹病发生的生理机制，而且能为抗病资源的利用和培育抗病新品种奠定生理基础。

1 材料与方法

1.1 材料处理

抗病青稞品种的“昆仑14号”和感病青稞品种“Z1141”，由青海大学农林科学院作物栽培与育种研究所青稞研究室繁育保存。2019年4月在青海省青稞遗传育种重点实验室对2品种的各500粒种子进行条纹病菌接种处理，同时设置不接种对照处理。后将2品种按“Z1141”对照、“Z1141”接种、 “昆仑14号”对照和“昆仑14号”接种顺序条播，每处理种植5行，每行播种100粒，行长2 m，田间管理同大田。待两接种品种发病15 d后(发病初期)开始分别在4个处理中取“Z1141”对照处理的叶片(Z1141C)、“Z1141”接种处理的叶片(Z1141T)、“昆仑14号”对照处理的叶片(KL14C)和“昆仑14号”接种处理的叶片(KL14T)样品用于生理指标测定，每个样品至少3个生物学重复。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 严重度 利用籽粒、针叶图像分析系统(REGRNT INSTRUMENTS INC)扫描并计算青稞叶片发病面积，并以不同抗性青稞品种的叶片感病面积占总面积的比例来表示发病严重度。

1.2.2 可溶性蛋白 利用生产的总蛋白定量试剂盒S045-3-2(南京建成生物工程研究所)测定。

总蛋白浓度(μg/mL)=测定(OD值-空白OD值)/(标准OD值-空白OD值)×标准品浓度(563 g/mL)×测定前稀释倍数

1.2.3 相对电导率 叶片的相对电导率参照谭常(1985)的测定方法测定[13]。

相对电导率=(浸泡电导率值/煮沸后电导率值)×100 %

1.2.4 脯氨酸 利用脯氨酸试剂盒A107-1-1(南京建成生物工程研究所)测定。

脯氨酸含量(μg/g组织湿重)=(测定OD值-空白OD值)/(标准OD值-空白OD值)×标准品浓度(5 μg/mL)/匀浆液浓度(g组织湿重/mL)×样本测试前稀释倍数

1.2.5 丙二醛 利用植物丙二醛试剂盒A003-3-1(南京建成生物工程研究所)测定。

丙二醛含量(nmol/g)=(测定OD值-空白OD值)/(标准OD值-空白OD值)×标准品浓度(10 nmol/mL)/ 样本浓度(g/mL)

1.2.6 相对叶绿素含量 相对叶绿素含量利用SPAD-502在发病后(约播种后30 d)上午11：00-12：00进行测定，每5 d测1次，每叶片取上、中、下3个点分别测定1次，后取其平均值。

1.2.7 叶绿素荧光参数 叶绿素荧光参数测定前叶片充分暗适应30 min，利用Technologica cf Imager system(饱和脉冲光1000 μmol/m2/s、照射时间15 min)测定叶绿素荧光参数。相关荧光参数如下所示：PSII潜在量子效率：Fv/Fm、光下开放的PSII反应中心的激发能捕获效率：Fv′/Fm′、作用光存在时PSII实际的光化学量子效率：Fq′/Fm′，光化学淬灭系数：Fq′/Fv′，非光化学淬灭系数：NPQ。

1.3 数据分析

试验数据采用Origin8.0绘制图表、Stst2与Spss13进行方差分析和多重比较分析(Duncan’s)。

2 结果与分析

2.1 条纹病对不同抗性青稞品种严重度的影响

由图1可知，不同品种的叶片感病程度不同，“昆仑14号”的病叶产生淡黄色细长条纹或断续相连的条纹，而“Z1141”的病叶中间和边缘出现黄褐色条纹，褐色发病部位的部分叶片干枯。可见，感病品种“Z1141”发病严重度显著高于抗病品种“昆仑14号”。

2.2 条纹病对不同抗性青稞品种叶片可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白是作物生长发育必不可少的成分，而且参与植物的渗透调节，因此可溶性蛋白含量可以作为一项生理指标来反映植物生长过程中的抗逆作用[14]。由图2可知，抗病品种和感病品种条纹病侵染后叶片可溶性蛋白质含量发生了不同的变化，其中抗病品种“昆仑14号”可溶性蛋白的含量比对照组叶片高19.35 %，两者差异显著(P<0.05)，而感病品种“Z1141”可溶性蛋白的含量比对照组叶片低37.13 %，两者差异显著(P<0.05)。可见叶片可溶性蛋白在青稞条纹病发生过程中发挥重要的调节作用。

2.3 条纹病对不同抗性青稞品种叶片相对电导率的影响

相对电导率能反映植物在逆境下细胞膜的破损程度，可以作为一项生理指标来显示植物的抗病性[15]。由图3可知，抗病品种和感病品种条纹病侵染后叶片后相对电导率变化发生了不同程度的升高，其中“昆仑14号”的相对电导率比对照组叶片高28.06 %，两者差异显著(P<0.05)；“Z1141”相对电导率比对照组叶片高94.48 %，两者差异显著(P<0.05)。以上结果可知，在条纹病胁迫下，“Z1141”叶片相对电导率上升的幅度显著高于“昆仑14号”(P<0.05)。由此可见，叶片相对电导率在青稞条纹病发生过程中也发挥重要的调节作用。

2.4 条纹病对不同抗性青稞品种叶片脯氨酸含量的影响

脯氨酸是组成蛋白的成分之一，调节植物细胞渗透势，维持渗透平衡，可以对条纹病胁迫作出响应[16]。由图4所知，抗病品种和感病品种条纹病侵染后叶片后脯氨酸的含量产生了不同程度的升高，其中“昆仑14号”脯氨酸含量是对照组叶片的7.6倍，两者差异显著(P<0.05)；“Z1141”脯氨酸含量是对照组叶片的10.8倍，两者差异显著(P<0.05)。同时， “Z1141”处理组脯氨酸含量显著高于“昆仑14号”(P<0.05)。由此可见，叶片脯氨酸含量在青稞条纹病发生过程中也发挥重要的调节作用。

2.5 条纹病对不同抗性青稞品种叶片丙二醛含量的影响

丙二醛可以反映植物遭受逆境对膜和细胞伤害的程度，可以作为抗性指标来分析细胞受到胁迫的严重程度[17]。由图5所知，抗病品种和感病品种条纹病侵染后叶片后丙二醛含量均呈现上升趋势，其中“昆仑14号”丙二醛含量比对照组叶片高27.45 %，两者差异显著(P<0.05)；“Z1141”丙二醛含量比对照组叶片高78.07 %，两者差异显著(P<0.05)。同时，“Z1141”丙二醛含量显著高于“昆仑14号”。由此可见，叶片丙二醛含量在青稞条纹病发生过程中也发挥重要的调节作用。

2.6 条纹病对不同抗性青稞品种叶片叶绿素荧光特性的影响

植物叶片对光能的吸收和利用可以用叶绿素荧光特性来评价[18]。由图6可知。感病品种和抗病品种条纹病发生后对叶片荧光参数产生了不同的影响，其中“昆仑14号”和“Z1141”的Fv/Fm分别下降了2.64 %和48.57 %；NPQ分别降低了1 %和26.70 %，F'q/F'v分别降低20.28 % 和 22.06 %，“昆仑14号”的F'v/F'm显著增加了11.21 %，而“Z1141”的F'v/F'm降低了12.46 %；“昆仑14号”和“Z1141”的F'q/Fm分别减少6.92 %和8 %。由此可见，条纹病发生时，“Z1141”比“昆仑14号”对条纹病反应更敏感。

2.7 条纹病对不同抗性青稞品种叶绿素含量的影响

由图7可知，条纹病对不同抗性的青稞叶片的叶绿素含量产生了不同的影响，其中 “昆仑14号”未接种处理的叶绿素含量呈逐渐降低的趋势， 6月6日比5月25日降了10.16 %，而“Z1141”叶绿素总含量呈逐渐增加的趋势，6月6日比5月25日增加了5.77 %。接种处理的两品种的叶绿素总含量随着青稞的生长发育均呈逐渐降低的趋势，与对照组相比，6月6日“昆仑14号”叶绿素含量降低了63.79 %，而“Z1141”降低了82.91 %，“Z1141”叶绿素含量下降的值显著高于“昆仑14号”(P<0.05)。由此可见，条纹病对叶绿素总含量影响较大。

3 讨 论

植物受病原物侵染后，体内会产生一系列的生理代谢变化，如蛋白质、酶、叶绿素、荧光、氨基酸等的含量都会发生变化，而这些变化与植物抗病性密切相关[19]。本研究结果表明，条纹病对不同抗性青稞品种叶片生理特性的影响不同。条纹病发生后，抗病品种的叶片可溶性蛋白含量显著增高，而感病品种的可溶性蛋白的含量显著降低，原因可能是当条纹病发生初期，某些抗病相关蛋白大量表达，增强了叶片的渗透调节能力，从而提高其抗病性[20]；而感病品种的叶片可溶性蛋白自我调控能力差，病原菌的入侵直接影响蛋白质的合成，同时蛋白质降解速度加快，导致叶片的蛋白质含量下降。这一结果与郭陞垚等[21]研究的结果相似。

植物遭受逆境胁迫时，由于环境中渗透势低，往往造成植物吸水困难。为了减少伤害，植物本身会合成一些可溶性物质如脯氨酸来降低细胞渗透势，利于从外界吸收水分[22]。本研究结果表明，“昆仑14号”和“Z1141”感病后脯氨酸含量均显著增加，“Z1141”显著高于“昆仑14号”，可能是胁迫初期，“昆仑14号”对条纹病忍耐程度较强，表型上受胁迫较轻，细胞功能较为正常，产生的脯氨酸含量与“Z1141”相比也较低。这一研究结果与魏崃等[17]对大豆的腐霉根腐病研究结果并不一致，他们的研究结果表明，在病害的胁迫下，抗病品种的脯氨酸含量增加量显著高于感病品种，可能是品种抗性不同或病害强度不同等。另有研究表明，病害胁迫下引发植物膜脂过氧化，严重损伤了膜结构，导致胞内物质外渗，外渗率(相对电导率)和MDA含量的高低可以反映植物膜的伤害程度[23]。本实验结果表明，接菌后，2品种电导率、丙二醛含量显著增加，“昆仑14号”增加幅度显著低于“Z1141”，说明感病品种的细胞膜功能受到严重的损伤，而抗病品种为了响应条纹病胁迫，能及时做出应激反应，细胞膜损伤程度较轻，此结果与蛋白质和脯氨酸含量结果是一致的。

叶片作为植物响应病害最敏感的部位，其形态结构和生理变化可直接反应植物适应和抵御胁迫的能力，而叶绿素是绿色植物进行光合作用的基础[24]。本试验中条纹病发生后，2个品种叶片均出现黄色条斑，“Z1141”发病严重度显著大于“昆仑14号”(图1)；同时6月6日与5月25日相比，“昆仑14号”对照组叶片的相对叶绿素含量逐渐降低，处理组叶片的相对叶绿素含量显著降低；而“Z1141” 对照组的相对叶绿素含量略有升高，处理组叶片相对叶绿素含量显著降低，且“Z1141”叶绿素含量降低值显著高于“昆仑14号”，原因可能前期是轻度病害胁迫，叶绿素通过生物合成来适应环境的胁迫，后期病原菌破坏了叶绿体的结构，叶绿素合成速度远小于降解速度，但抗病品种降解速度稍慢于感病品种[25]。另外，逆境胁迫不但会影响植物的叶绿素合成，还会影响正常的光化学反应，PSⅡ比 PSⅠ更易受到环境胁迫的损伤，因此可用叶绿素荧光参数来反映植物的抗性作用[26]。条纹病发生后，PSII最大光化学效率Fv/Fm、光化学淬灭系数F'q/Fm、和PSII实际的光化学量子效率F'q/F'v都呈降低趋势，且抗病品种下降幅度低于感病品种，可能是抗性品种“昆仑14号”在条纹病胁迫下PSII受到损伤程度轻于感病品种，光合电子传递下降速率减缓，使得最初电子受体QA氧化还原能力和光合碳同化能力维持在较高的水平[18]。PSII反应中心的激发能捕获效率F'v/F'm在“Z1141”显著下降，说明“Z1141”中的光能转化率降低，光合机构积累大量过剩光能，使得光合膜发生光氧化，导致光合机构损伤，且“Z1141”的 NPQ显著下降，说明叶片热耗散机制严重受损，又积累大量的激发能，使得植物叶绿体类囊体膜和光合复合体发生了变化，进而导致植物光保护能力丧失，出现了如图1中叶片感病部位的黄斑。但F'v/F'm在“昆仑14号”显著升高，说明在胁迫下光能转化率升高，生物合成增多，进而缓解逆境胁迫，且NPQ下降的不明显[27-29]。可见叶绿素荧光特性在不同抗条纹病青稞品种中也产生了差异响应。

4 结 论

2个不同抗病性的青稞品种对条纹病胁迫产生了相似的响应机制，即条纹病发生时叶片出现黄色条斑，细胞膜透性和脯氨酸含量增加，叶片光合系统受损等一系列变化。不同的生理指标在抗病性不同的品种中具有独特的调控机制，抗病性强的青稞品种从感病初期，其生理特性指标自我调控力较强，对条纹病胁迫产生一定的耐受力；抗病性弱的品种的生理特性指标自我调控能力则很弱，对条纹病胁迫产生较弱的耐受力。本研究结果为抗病资源的利用和培育抗病新品种奠定了生理基础。要全面地了解青稞的抗条纹病机制，还需要从基因水平进行进一步的探索。