枯萎病对香蕉农艺性状及生活史策略的影响

只佳增，杜 浩，岳建伟，周劲松，赵丽娟，张建春

（云南省红河热带农业科学研究所，云南 河口 661300）

香蕉枯萎病是一种毁灭性的土传性维管束病害，种苗带病、病株处理不当、土壤酸性、排水不良、多年连作、施用未腐熟的有机肥等都可导致枯萎病的发生［1］。发病株的病原菌可以传给吸芽，还可以通过流水远距离传播［2］。枯萎病病原菌由根部侵入香蕉植株后，经维管束组织向块茎发展扩散，感染部位的维管束组织明显褐化，多伴有假茎基部向内纵裂、块茎腐烂等现象［3］。植物个体的不同生活史性状之间在一定时间内所获得的能量是有限的，由于可利用资源的有限性，经常存在着互相制约的权衡关系。如果分配给繁殖的资源量增加，那么就会导致分配给存活、生长的资源量减少，并进而影响到植物未来的生长与繁殖活动［4］。植物的形态结构、营养生长、生殖生长等关键的生活史特征会因环境条件的变化也发生相应的改变，这种变化主要表现在表型可塑性上［5］。在香蕉感病植株与病原微生物之间的相互作用中，病原物侵入寄主后产生激素、酶类和毒素等物质，这些物质都会给植株造成一定的伤害［6-7］。毒素在病原菌致病过程中起重要作用，尤其在病菌侵入寄主后，毒素即与细胞原生质膜的某些蛋白质结合，使膜构造发生变化，膜结构和功能都受到损伤，导致膜透性改变，电解质外漏，电导值增加以至整个植株枯萎，而香蕉植株则以启动多种抗病机制来抵御病原菌的侵染［8］。感病的香蕉植株为了对抗香蕉枯萎病需要投入更多的能量，势必就会减少生长、生殖、维持、消耗、存储等能量的投入，香蕉植株在感染枯萎病病菌后其表型特征往往会发生相应的变化，为保持能量分配合理，每个物种都有一定的资源分配格局，以便使物种的繁殖和存活效益或适合度达到最大，这个格局由自然选择决定［9］，在这种长期的自然选择下形成了以各种生活史特征表现出来的适应性对策，即生活史对策［10］。在植物与环境的长期相互作用中，生活史一般存在以下两类选择：在稳定的环境中进行k-选择，在不稳定的环境中进行r-选择，这两类选择分别导致所谓k-对策者和r-对策者的演进［10］。枯萎病的感染对香蕉的生活史对策有着重要的影响，国内外对香蕉枯萎病的研究较多，但对香蕉植株在不同环境下的生活史对策研究的报道较少，本研究拟通过对枯萎病感病后香蕉植株的营养生长、生殖生长过程中的资源分配、表型特征的分析，揭示香蕉在感病后对环境的适应性，明确枯萎病感染下的香蕉植株的生活史性状及对策，以期为香蕉抗枯萎病的栽培研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2019年4月~2021年4月在云南省红河热带农业科学研究所香蕉试验基地进行，该地海拔98 m，地质上处于青藏“反S”形构造和红河—金沙江大断裂带上，地貌上属于滇东南岩溶山原亚区，低山河谷丘陵地貌，为热带季风雨林温热型气候，具有明显的旱季（11月~翌年4月）、雨季（5~10月）之分［11］。年平均气温22.6 ℃，极端最高气温达40.9 ℃，极端最低气温l.9 ℃；最热月（7月）平均气温27.6 ℃，最冷月（1月）平均气温16.4 ℃。年平均降雨量1587.3 mm，降雨长达163 d，为高温高湿气候，土壤为红河流域冲积的酸性黄色沙壤土，0~20 cm 土层的土壤pH值在4.5~7.5范围、有机质含量为20 g/kg、全氮含量1.3 g/kg、全磷含量0.48 g/kg、全钾含量14.7 g/kg，土壤肥力中等［12］，该试验基地为香蕉枯萎病多发地。

1.2 试验设计

本研究试验地内种植的香蕉品种主要有巴西蕉、威廉斯。定植株行距为200 cm×250 cm，共6000株，种植面积为4.0 hm2，定植底肥为5.0 kg/株的有机肥，第1年施用有机肥6.0 kg/株，硫酸钾复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15） 2 kg/株，每年分3次平均施用；第2年肥料用量和施用方法同第1年。其他管理同蕉农常规田间管理。

1.3 采样及测定方法

香蕉幼苗期（SP）（定植成活至抽出大叶之前）、营养生长期（GP）（从抽出大叶至花芽分化前）、花果期（FP）（花芽分化开始至果实成熟），开展3次重复试验，每次重复在香蕉园内以随机抽样方法分别抽样15株感病株，5株健康株作对照，参照覃柳燕等［13-14］枯萎病叶片症状分级方法（表1）对感病植株进行病害分级。同时测量植株的假茎高、假茎基部粗（离地30 cm）、吸芽数量、生物量、叶面积指数、叶片叶绿素相对含量（SPAD值）、植株的N、P、K含量，物候期等主要的农艺性状指标。叶绿素含量（SPAD值）的测定采用柯尼卡美能达SPPAD-502 plus叶绿素测定仪，叶片营养元素的测定采用FKZY10植物营养测定仪，其中叶面积的测定参考作者前期研究的香蕉叶面积模型A=0.805P-171.33［12］；叶面积指数（LAI）由下式中求得：

表1 香蕉枯萎病叶片症状的分级标准

式中，A为第i株单片叶面积（cm2），n为第i株的总叶片数；S0为植株叶片所占地面面积（cm2）；LAI为叶面积指数。

1.4 数据统计与分析

所有数据的统计在Excel 2007下进行，用SPSS 19.0对相关数据进行单因素方差分析（ANOVA），LSD法配合Duncan法进行显著性检验，用Pearson分析方法进行相关性检验，开展病级与农艺性状主成分分析，分析统计结果用Origin Pro 2018作图。

2 结果与分析

2.1 枯萎病感病植株幼苗期的性状差异

在调查过程中发现香蕉枯萎病发展到4级以后的感病植株面临死亡，无实际统计意义，因此只统计到3级病株的农艺性状。由图1可知，香蕉幼苗期（SP）健康株的农艺性状与枯萎病感病株有显著差异，其中健康株保留的绿叶数为6～7片，2级感病株保留的绿叶数变化不大，差异不显著，3级病株的绿叶数为4片，与健康株差异显著；健康株、2级病株、3级病株的叶面积指数（LAI）、假茎高、假茎粗的差异均不显著；其SPAD值分别为62.75、51.43、27.53，叶绿素的含量在感病以后会显著下降；植株含水量会因病情加重而显著下降；叶片硝态氮（NO3-）的含量与2级病株的差异不显著，与3级病株的差异显著，NO3-含量在3级感病后极速减小；叶片的P、K含量也因植株感病而减小，其中K含量极显著减小。

2.2 枯萎病感病植株营养生长期性状差异

由图1可知，香蕉营养生长期（GP）2级病株与健康株的吸芽数量、保留的绿叶数量分别为2～4个、9～10片，它们之间差异不显著，3级病株吸芽显著增多（8.75个），绿叶数显著减少（7.50片）；植株的假茎高、假茎基部粗之间无显著性差异；健康株、2级病株、3级病株的叶面积指数分别为1.82、1.40、1.18，叶绿素的SPAD值分别为64.33、55.23、37.03，叶的含水率分别为0.85、0.83、0.73，叶面积指数、SPAD值、含水率均随病级的增加而显著减小；叶片的NO3-、P、K含量也因植株感病程度加大而显著减小。

2.3 枯萎病感病植株花果期性状差异

由图1可知，香蕉花果期（GP）健康株、2级病株、3级病株的吸芽数分别为8.33、11.6、14.57个，感病植株的吸芽会显著增多；保留的绿叶数分别为9.5、7.8、6.29片，绿叶数显著减少；叶面积指数分别为2.64、1.87、1.72，感病株的与健康株的差异显著；叶绿素的SPAD值分别为61.42、50.70、34.53，SPAD值差异显著；叶片含水率分别为0.86、0.83、0.74，3级感病株与2级病株、健康株差异显著；叶片的NO3-、P、K的含量也因植株感病而显著减小。

图1 香蕉不同生长期健康株与感病株的性状比较

由图2可知，花果期健康株的开花率为100%、2级病株为84.9%、3级病株的为42.8%，感病株的开花率显著降低。果实期健康株的果指粗为12.2 cm、2级病株的为9.30 cm、3级病株的为7.83 cm，感病株与健康株的果指粗差异显著。

图2 香蕉花果期开花率、果实性状差异

2.4 不同生长期香蕉病级与农艺性状的相关性分析

对不同生长期香蕉枯萎病的感病程度与农艺性状进行相关性检验分析（表2）可知，香蕉幼苗期（SP）病级与叶的SPAD值、叶含水率、NO3-含量、P含量、K含量呈显著或极显著负相关，与其余农艺性状的相关性不显著，可见在幼苗期感染香蕉枯萎病植株叶的水分、矿质营养元素含量等均会显著减小，内部结构发生变化，但在表型上体现不明显，一般病级达到3级以后就很难维持生长而死去。营养期（GP）病级与吸芽数量显著正相关，与绿叶数、假茎高无显著相关性，与LAI、SPAD值、叶含水率、NO3-含量、P含量、K含量呈显著负相关，营养生长期感染香蕉枯萎病的植株吸芽显著增多，植株的叶绿素含量、水分、有效N、有效P、有效K含量等均会显著减少，植株的表型有明显的感病特征，植株本身叶片发黄，营养生长缓慢甚至死亡。花果期（FP）病级与吸芽数量呈显著正相关，与其他性状呈显著负相关，可见在花果期枯萎病植株的绿叶数、LAI、叶绿素含量、叶含水率、NO3-含量、P含量、K含量等均会显著减少，吸芽数显著增多，花芽分化减少或延后，大部分植株停留在营养生长阶段，开花后结出的果实较小，有些畸形，很难成熟。可见，感染枯萎病后植株倾向于分化更多的无性繁殖体（吸芽）的生殖生长策略来对抗枯萎病等不利环境。

表2 不同生长期香蕉病级与农艺性状的相关性检验

2.5 香蕉病级对农艺性状影响的主成分分析

由相关性分析可知，不同性状之间存在信息重叠，通过对这些性状变量进行降维处理，用主成分分析法来综合评价病级与农艺性状的相互关系。由表3可知，特征值大于1、特征值统计检验显著水平（P＜0.05）的主成分有2个，分别命名为PC1、PC2。其中PC1的特征值为8.79，贡献率为67.61%；PC2的特征值为2.06，贡献率为15.85%，方差的累积贡献率已达83.45%。旋转后因子载荷矩阵表明，在PC1中，载荷较高的性状为SPAD值、NO3-含量、K含量、假茎高、病级、叶的含水率、P含量、吸芽数，载荷值分别为0.97、0.96、0.95、0.95、-0.93、0.90、0.86、-0.84，其中病级与香蕉吸芽数量的载荷贡献为负值，说明病级与吸芽数量的变化与其他农艺性状呈负相关，这和病级与农艺性状的相关性分析结果一致。在PC2中，载荷较高的为开花率、果指粗，载荷值分别为-0.96、-0.94，因此可以将PC2称为生殖生长因子，结果说明病级与开花率、果指粗呈负相关。根据不同生长期的病级与农艺性状的相关性进行主成分分析作图（图3）可知，各性状之间，SP与GP、FP的分组较远，SP各农艺性状指标聚集较高，可见病级对幼苗期的SPAD值、叶含水率、NO3-含量、P含量、K含量等一些农艺性状的影响更大，也进一步说明香蕉幼苗对枯萎病的抵抗能力较差。

图3 香蕉不同生长期与各农艺性状的主成分分析

表3 香蕉病级与各农艺性状的主成分载荷和贡献率

3 讨论

当香蕉被枯萎病菌侵染之后，其生理生化过程会被破坏，尤其是对养分的吸收、同化以及从地下部向地上部的转运会受到严重影响，植物生长所必需的大量元素氮（N）、有效磷（P）、有效钾（K）等矿质养分含量均会显著减小，矿质营养不仅影响植物的正常生长发育，而且还能以多种形式直接或间接地影响植物的感病或者抗病性［3］，矿质营养元素不仅可以植物组织的组分直接参与新陈代谢，还可改变植物的生长方式、表型特性等，増强或减弱植物的病虫害抵抗能力，从而影响植物的生长和产量［15］。营养元素尤其是氮的减少导致叶绿素细胞形成减少，叶绿素含量减少和绿叶面积指数减小，其光合作用能力会减弱［16］。钾能促进蛋白质、糖类的合成及运输，能够降低寄主植物对病害的敏感性，增强表皮细胞的细胞壁厚度，因而钾有利于抵御病原菌的侵染［17］，当香蕉缺钾时，代谢功能发生改变，对寄生型的枯萎病特别敏感。磷参与组成的ATP、FMN、NAD＋、NADP＋等均参与植物的光合作用、呼吸作用等过程，是植物代谢过程中不可缺少的，磷在植物抗病中起到重要作用［18-19］。当香蕉植株的氮、磷、钾含量缺乏时，植株生长缓慢甚至停止，尤其幼苗本身的光合能力较弱，感病后因光合作用能力下降，植株难以保证正常生长所需的能量，加上抗病性的下降，幼苗病情发展迅速，病级达到3级以后就很难维持生长而死去，主成分分析结果表明感病程度对幼苗期的SPAD值、叶含水率NO3

-含量、P含量、K含量等一些农艺性状的影响更大，也进一步说明香蕉幼苗期对枯萎病的抵抗能力较差。营养期和花果期的植株抵御病害的能力较强，枯萎病的病情发展往往较幼苗期的慢，植株的病死率也较低。

植物的形态可塑性变化是植物应对环境变化所表现出的一种形态可塑性的能力［20］，涉及功能可塑性、形态结构可塑性、生理生化可塑性、生长发育可塑性、生殖可塑性、生活史可塑性等除基因自身之外的所有性状［20］，相关性和主成分分析表明香蕉感病程度与其农艺性状指标呈负相关，与吸芽数量呈正相关，说明香蕉感染枯萎病以后，为应对微生境的变化，会投资更多的能量来对抗枯萎病菌，减少营养生长的能量投入，这样会进一步加快植株的衰老速度，使得保留的绿叶数量相应地减少，植株假茎的生长速度就会减弱甚至停止。研究结果显示香蕉花果期病级与开花率、果指粗呈负相关，说明在自然的选择压力下，感染枯萎病的植株在繁殖策略上会有较大的调整，感病植株吸芽数显著多于健康植株，营养期及以后感病株在生长过程中会形成更多的无性繁殖体——吸芽，即以增加更多无性繁殖体的方式（r-对策）来适应环境。根据物质分配原则，生物量大量投资到无性繁殖体必然减少对有性繁殖的投资［21-25］，这样势必从地上部分转移一部分同化物质用于吸芽的分化，从而出现了香蕉能量物质的分配由平衡向地下部分侧重的局面［21-22］，导致感病株的花芽分化期延迟，部分的植株不进行花芽分化，长期停留在营养生长期，花芽分化后的感病植株在果实生长期的能量投入比例也显著少于健康株的，导致果指较小、畸形果或发育不成熟，这是香蕉为适应枯萎病菌易感生境，防止灭绝的生活史策略。香蕉植株会根据不同的生存环境形成不同的适应性对策［25］。感病植株为保障种群的存活效益达到最大，会适当增强分生无性繁殖体的能力，生活史对策上感病植株更趋向于r-对策者的演进，健康植株则趋向于稳健生长的k-对策者。