外源Si对水稻生长状况及稻瘟病抗性的影响

曾 玥，李龙国，李一晗，谭 霄，谭 博

（1水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2四川大学水利水电学院，成都 610065）

0 引言

水稻是世界上最重要的经济作物之一，而稻瘟病是影响水稻产量最严重的病害之一[1]。稻瘟病能引起氧化胁迫，导致大量的活性氧积累，从而降低植物的活力、影响植物的生长过程，最终导致产量的降低甚至颗粒无收[2-3]。选择种植抗病品种是一种抗稻瘟病和减少农药使用污染最有效的方法[4-5]。但由于稻瘟病真菌的高度变异性，抗病品种会丧失抗性[4-5]；化学防治会造成环境污染[7-8]。所以选择一种环境友好的提高水稻稻瘟病抗性的方法有重要的意义。

研究表明，施用外源Si可以有效降低水稻染病程度，改善水稻的生长状况从而提高水稻产量。Si可以通过物理和生理的方式提高植物的抗病性，水稻吸收的Si素沉积在叶片中，与表皮细胞形成硅化细胞，构成一道限制真菌吸器形成和防止菌丝定殖的物理屏障[9-10]。防御相关酶活性对增强水稻抗病能力具有重要的作用，Si能够通过提高抗氧化酶活性，如SOD（超氧化物歧化酶）、CAT（过氧化氢酶）和POD（过氧化物酶）等，降低活性氧的积累，从而缓解病菌侵染引起的氧化胁迫[2,11]。除此之外，Si还能够通过诱导产生次生抗病害物质如木质素、酚类物质和提高相关抗病基因的表达来提高寄主抗病性[12-13]。因此，Si被证明是一种缓解胁迫的环境友好的方法，但由于水稻抗逆机制复杂，目前针对外源Si缓解生物胁迫的认识不足，特别是施加Si肥后植物的生长及代谢反馈等。因此，本研究在人工接种稻瘟病菌的条件下，通过向水稻根际土壤添加硅酸钠作为Si肥，研究外源Si对水稻生长状况以及防御性相关蛋白酶活性的影响，旨在揭示水稻应激防御系统对外源Si的响应机制，为Si肥的研发和应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻幼苗(Oryza sativa)为‘蓉18B’品种。供试土壤采集于中国四川省邛崃市的水稻田（北纬30°25′，东经103°27′），采样深度为0～20 cm。经自然风干后用木锤敲碎，经研钵研磨后，过2 mm筛。土壤有机质47.75mg/g，有效Si68.82mg/kg；pH6.46；Eh123.47mV；总氮16 mg/kg。供试外源Si为偏硅酸钠（Na2SiO3·9H2O，分析纯）。试验于2020年6—9月进行。

1.2 稻瘟菌的培养和分生孢子悬液的制备

稻瘟菌株(Magnaporthe griseae)为Zhong10-8-14菌株。采用燕麦琼脂培养基，在28℃的生长箱中光照培养1周。用软毛刷蘸含有1%明胶的无菌水将分生孢子冲洗下来。经双层纱布过滤后得到分生孢子悬液，分生孢子浓度为1×105/mL。为了研究Si对稻瘟病侵染水稻的发育情况和产量的影响，在抽穗阶段对所有稻穗均匀地喷洒制得的分生孢子悬浮液[14]。

1.3 盆栽试验

选择相同大小的水稻幼苗，从稻田移植到装有5 kg土壤的11 L塑料花盆（直径27.5 cm，高31 cm）中，每盆种植1株水稻幼苗。试验设置8个处理：（1）接种条件为接种或不接种稻瘟病菌；（2）每种接种条件下，都设置 4个 Si浓度梯度，即每盆 0、10、50、100 mg/kg SiO2。每个处理重复3次。未接种稻瘟病菌的处理记为-M，接种稻瘟病菌的处理记为+M。

1.4 测定方法

按中华人民共和国国家标准GB/T 15970—1995(2009)的方法测定病穗数量、产量损失和病情指数。发病率、病情指数和损失率计算见式(1)～(3)。

式(1)中，I为发病率，P为发病穗数，Z为被调查总穗数；式(2)中，R为病情指数，Pi为各级发病数，D为各级代表值，P为被调查植物总穗数，DM为最高级代表值；式(3)中，C为损失率，Pi为各级病穗数，S为各级损失率，P为所调查的总穗数，SM为最高级损失率。

在移栽后10、25、30、50天时，采集各盆栽土壤样品；样品经风干后过2 mm筛，并在分析前保存在密封袋中。采用pH仪（IQ 150，北京奥作生态仪器）测定土壤pH（土壤与水比为1:2.5）。土壤氧化还原电位(Eh)在土壤表面以下3～4 cm处用Eh计（IQ 150，北京奥作生态仪器）测定。

在水稻成熟期采集新鲜稻穗样品，装于塑封袋中保存在-20℃的冰箱中。水稻收获后，用剪刀去除根部，将水稻放置在60℃的烘箱中烘干至恒重，进行称重。采用常规方法对每株水稻株高、穗数、穗长和千粒重进行测算。MDA（丙二醛）、CAT和SOD的测定参照薛高峰等[2]的方法；POD和PPO（多酚氧化酶）参照孙万春等[2]的方法。

采用Excel对试验数据进行整理并绘图。采用SPSS 18.0(IBM，New York，USA)进行统计分析，并用单因素ANOVA检验各指标平均值间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 Si对水稻病穗率及病情指数的影响

外源Si浓度与稻瘟病病情指数和病穗率的相关关系如图1所示。病情指数与病穗率与Si浓度呈负相关关系。最低的病情指数和病穗率都在Si 100 mg/L组出现，分别比对照组降低了44.47%和41.98%。随着外源Si浓度逐渐增加，水稻受稻瘟病感染程度和病穗率逐渐降低，表明施Si能够显著增强寄主对稻瘟病菌的抗性[16]。

图1 外源Si浓度与稻瘟病病情指数和病穗率的相关性

2.2 外源Si对水稻生长状况的影响

如图2所示，不同外源Si浓度对水稻株高的影响十分显著(P＜0.05)。无论水稻是否被稻瘟病菌侵染，水稻株高随外源Si浓度增加而升高。最高株高出现在Si 100 mg/L组，为(104.17±2.47)cm(-M)和(103.17±2.02 cm)(+M)，分别高于对照10.04%和12.5%。试验观测发现，施Si后水稻植株整体叶片更加挺立。这一结果与高臣[17]研究结果一致，施Si处理水稻的叶倾角比未施Si处理水稻的叶倾角减少了4.8°。因为感病水稻经施Si后叶片不披散，有效地降低了水稻叶倾角，使水稻更加挺直从而获得了更高的株高。植株挺立，有利于通风且降低了整体湿度，从而形成不利于病菌形成和扩散的环境[18]。因此，施Si能够通过改善水稻结构和形态来抵御稻瘟病菌的发生、传播和侵染。

图2 施加外源Si与稻瘟病侵染影响下水稻株高的变化特征

不同外源Si浓度也显著地影响了水稻抽穗数(P＜0.05)。如图3a所示，外源Si对稻穗数的影响呈现为随外源Si浓度的增加而增加的趋势。与-M组相比，+M组的稻穗数在每个Si浓度水平上都低于-M处理。最多的稻穗数出现在不接种处理Si 100 mg/L组中，比对照处理高了60%。如图3b所示，不同外源Si浓度对水稻稻穗长度的影响与抽穗数所呈现的趋势相同。无论是否接种稻瘟病菌，水稻穗长都随着外源Si浓度的增加而增加。但是-M组水稻的穗长分别比+M组水稻的穗长增加了31.4%、38.9%、28.9%和32.8%。最长的穗长出现在-M组的Si 100 mg/L中，为27.97 cm。水稻吸收更多的Si后，会使导管刚性增强，促进植株的通气性，从而使分蘖增加和增强水稻抗逆性[18]。张国良等[11]通过研究发现，施Si可以促进茎蘖成穗，与对照组相比，施Si提高了10%的成穗率。在本试验中，Si能够显著增加水稻的穗数和穗长，这一结果与Kollalu Sandhya等[11]一致，与对照处理相比，施Si使穗长增加了33.6%～86.4%，这与本研究结果一致。而且水稻在抽穗期对Si的吸收速率会迅速提高，施Si会提高叶片同化能力，促进器官的形成和提早抽穗，使穗数和穗长增加[21-23]。

图3 施加外源Si与稻瘟病侵染影响下水稻的抽穗数及稻穗长度变化特征

2.3 Si对稻瘟病侵染水稻产量的影响

如图4a所示，不同浓度外源Si对水稻千粒重的影响具有显著性(P＜0.05)。在不同接种条件下，千粒重都随外源Si浓度的增加而增加。-M组千粒重比对照组增加了21.91%～48.9%；+M组千粒重比对照组增加了39%～61.2%。与-M组相比，+M组千粒重在每个Si浓度水平上都更高，且在Si 50 mg/L和Si 100 mg/L组呈现极显著差异(P＜0.01)。如图4b所示，外源Si对水稻地上部生物量的影响也呈现出与千粒重相同的趋势。无论是否接种稻瘟病菌，地上部生物量都随外源Si浓度的增加而呈现线性增加趋势，最高的地上部生物量都在Si 100 mg/L组出现，比对照组分别高了38.65%(-M)和43.29%(+M)。-M组地上部生物量在每个Si浓度水平上都显著高于+M组(P＜0.01)，差异达到25.48%～34.68%。

图4 施加外源Si与稻瘟病侵染影响下水稻的千粒重及地上部生物量变化特征

由于施Si增强了宿主抗性，降低了感病程度，缓解了被抑制的光合作用[24]，产生了较少枯黄或枯死的叶片，使施Si处理地上部生物量显著高于未施Si处理[15]。在本试验中，施Si能够明显增加水稻地上部生物量。这可能是由于Si能沉积在叶片、茎秆等表皮细胞中，生成Si化细胞，导致细胞壁增厚，从而形成一道物理屏障抵御病菌的侵染[25-26]。除此之外，施Si能够弥补稻瘟病对水稻造成的损伤，保证植物能够正常地进行光合作用，促进有机物的合成和地上部干物质的积累[27-28]。有研究表明，稻瘟病菌丝会穿透颖壳导致雌蕊发育受阻，影响稻穗的正常发育生长，导致空壳率的增加[28]。而施Si能够有效提高穗数、结实率和千粒重，提高产量[29]。

2.4 Si对稻瘟病侵染水稻MDA及防御性相关蛋白酶活性的影响

如图5所示，受到稻瘟病侵染水稻的MDA含量在Si 10 mg/L和Si 100 mg/L组中显著增加(P＜0.05)，且在Si 0 mg/L和Si 50 mg/L组中极显著增加(P＜0.01)。与-M组相比，+M组的MDA含量在每个Si浓度水平上都更高。MDA含量随Si浓度的增加而降低，与对照组相比，-M和+M组中最低的MDA含量都在Si 100 mg/L组中出现，分别比对照组低了20.52%和26.79%。与-M处理相比，+M处理中的PPO、SOD和CAT活性都更高，分别提高了7.91%～16.10%、4.54%～22.02%和3.03%～25.00%。在+M处理中，PPO、SOD和CAT的活性与Si浓度呈正相关关系。与对照相比，Si 100 mg/L处理中PPO、SOD和CAT的活性分别提高了52.38%、31%和43.34%。与-M处理相比，+M处理中的POD活性在Si 0 mg/L和Si 10 mg/L组中显著提高。然而，随着Si含量的增加，在Si 50 mg/L和Si 100 mg/L中POD的活性显著降低。

图5 施加外源Si与稻瘟病侵染影响下水稻的MDA含量及抗氧化酶活性的变化特征

植物被病害侵染时会迅速发生氧化应激，引起大量活性氧的积累，发生膜脂过氧化，引起细胞膜电导率下降和细胞膜通透性的增加，最终导致细胞死亡[30]。本试验中，接种稻瘟病菌的植株MDA含量显著高于未接种植株，说明+M处理的植物出现了膜脂过氧化的现象。但随着Si浓度的增加，MDA的含量减少，说明施Si有效地缓解了稻瘟病菌侵染引起的氧化胁迫。有研究表明，植物在受到胁迫时会启动体内的防御机制，这一机制与上述酶活性的变化密切相关[30]，这些抗氧化酶是清除植物体内活性氧的关键物质。本试验中，施Si处理明显提高了SOD、PPO和CAT的活性。刘红芳等[32]研究表明，Si有效地提高了水稻叶片中SOD和CAT的活性，降低水稻叶片中MDA的含量和活性氧，增强水稻对白枯病的抗性，研究结果与本研究结果一致。闫国超等[33]研究认为，外源Si能够通过提高CAT、POD和SOD的活性来缓解盐胁迫引起的MDA积累和光合作用的损伤。本试验中，施Si能够显著提高PPO、SOD和CAT的活性，然而在Si 50 mg/L和Si 100 mg/L中POD的活性显著低于其他组，这一结果与孙万春[15]一致，而与Cai[34]的结果不一致。这可能是由于施Si明显降低了水稻感病情况，稻穗受损害较轻，这也表明酶活性与植物抗性有着密切的联系。Si不仅是通过建立物理屏障来抵御稻瘟病菌的侵染，同时也在与防御相关的代谢生理过程中起着积极的作用，提高寄主抗性，抵御病菌的侵害。

3 结论

本研究通过盆栽试验，对水稻人工接种稻瘟病菌并增施Si肥（10 mg/L、50 mg/L和100 mg/L的SiO2，Na2SiO3·9H2O分析纯）。结果表明，施Si显著降低了水稻病穗率及病情指数，最高达44.47%和41.98%；与对照组相比，未接种处理和接种处理的株高分别高于对照组10.04%和12.5%。在接种处理中，施Si有效缓解了稻瘟病对植株造成的损伤，改善了水稻的生长状况，使千粒重和地上部生物量分别提高了39%～61.2%和28.66%～34.68%。施Si强化了水稻的防御系统，提高了PPO、CAT和SOD，而POD的活性在Si 50和Si 100组中明显降低，可能是由于施Si降低了水稻感病情况，稻穗受损害较轻。施Si能够有效减轻水稻稻瘟病，增强水稻对稻瘟病菌的抗性。Si使水稻更加挺直，形成不易于稻瘟病菌繁殖、传播和侵染的环境。除此之外，Si能够提高水稻在稻瘟病侵染条件下的茎蘖成穗率，有效提高穗数和穗长，增加了干物质量积累和千粒重。施Si能够通过增强抗氧化酶的活性，降低MDA的积累及活性氧对植株的损害，减轻氧化损害，提高了寄主的抗性，最终提高产量。综上所述，施Si不只是单一地作为物理屏障来抵御稻瘟病菌的侵害，还会提高相关酶活性，有着至关重要的生理生化抗病害作用。然而偏硅酸钠易溶于水，随着时间的流逝，易溶于水的Si肥和土壤中的可溶性Si会向土壤下层淋溶，如何及时有效地补充土壤Si素、提高Si肥利用效率仍需要进一步的研究。除此之外，植物抗病害的生理代谢过程十分复杂，尚需要进一步的研究和验证。