香蕉枯萎病对抗感品种营养生长期光合特性的影响

2023-03-31王永芬徐胜涛杨宝明刘立娜李永平俞艳春潘继红郑泗军

西南农业学报 2023年1期

王永芬，徐胜涛，杨宝明，刘立娜，李舒，李永平，俞艳春，潘继红，郑泗军,3

(1.云南省农业跨境有害生物绿色防控重点实验室/云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 650205；2.云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所，云南隆阳 678000；3.国际生物多样性中心，昆明 650205)

【研究意义】香蕉(Musaspp.)是芭蕉科(Musaceae)、芭蕉属(Musa)植物。世界上超过130个国家种植香蕉，是热带、亚热带地区的重要经济和粮食作物，是不发达国家仅次于水稻、玉米和小麦的第四大重要粮食作物[1]，也是亚洲、非洲等一些国家最主要的淀粉食品来源。2019年全球香蕉种植面积5.16×106hm2，年产量1.17×108t(FAO Stat, 2019)。云南是中国香蕉的主产区之一，也是中国野生香蕉遗传多样性最丰富的地区[1]。近年来云南香蕉产业发展迅猛，香蕉种植面积2015年最高，为1.02×105hm2，产量2.58×106t，分别占全国的30%和26%；由于枯萎病的蔓延，2019年种植面积略有缩减，为8.19×104hm2，产量2.20×106t。香蕉枯萎病是由尖孢镰刀菌古巴专化型(Fusariumoxysporumf.sp.cubense)引起的土传真菌性病害，因老叶出现黄化枯萎时才被发现，目前尚无完全免疫的抗病品种和有效的防治措施。自20世纪初发生以来，给全球香蕉产业造成了巨大损失，成为世界范围内分布最广、毁灭性最强的香蕉病害之一，严重制约香蕉产业的可持续发展[1]。在田间感病香蕉植株因维管束堵塞造成水分和营养不能正常输送导致叶片由下向上、由叶缘向主脉逐渐变黄至枯萎，发黄叶片的叶柄在靠近叶鞘处折断并倒挂于假茎周围，最终整株枯死，致使光合作用不能正常进行。光合作用是绿色植物最重要的生理功能，光合能力丧失或者受阻都会造成植株生长势减弱，不仅影响香蕉产量与品质，严重的甚至绝收。【前人研究进展】叶片的黄化现象在很多植物上均会发生，研究发现，病原菌的侵染能够引起叶片发黄，导致光合速率明显下降，叶绿体结构受到破坏，叶绿素含量降低[3-5]。杨丽冉等[6]研究发现，不同茶树品种的光合特性差异显著。张政等[7]研究发现，茶树光合速率随接种炭疽菌的时间变化而显著降低。武洪敏等[8]研究发现，细菌性根腐病侵染三七引起叶绿素含量、净光合速率等光合参数显著降低。陈国栋等[9]研究发现，苹果褐斑病侵染导致叶片光合参数显著降低，净光合速率与对照相比，下降高达70.3%。香蕉的生物胁迫(枯萎病、叶斑病、青枯病、病毒病、蜜环菌、香蕉象甲)和非生物胁迫(营养缺乏、水涝、除草剂)都会导致香蕉植株叶面积减小、变黄或枯萎，而香蕉枯萎病目前是生产上引起香蕉叶片黄化的最主要因素，在全国香蕉主产区普遍发生。吴志祥等[10]研究表明，6月龄的热研8-79香蕉品种的光合速率日变化存在“双峰型”曲线。王必尊等[11]研究发现，不同基质处理1月龄香蕉组培苗的净光合速率的日变化呈“单峰型”曲线，峰值出现在11：20时左右。刘晚苟等[12]研究发现田间5月龄的威廉斯香蕉净光合速率呈日变化呈“单峰型”曲线，峰值出现在10：20时。【本研究切入点】不同香蕉品种、不同栽培管理方式、不同区域气候类型、不同香蕉生育时期的光合参数日变化、峰值及峰值出现时间都不相同，而云南具有独特的地形地貌和高原季风气候，热量和种质资源丰富，目前还没有在同一栽培水平下不同香蕉品种光合特性的比较及枯萎病胁迫对香蕉光合特性影响的相关研究。【拟解决的关键问题】本研究在云南香蕉主产区西双版纳开展不同香蕉品种营养生长期光合特性差异及枯萎病胁迫对光合特性的影响，从而为香蕉枯萎病生理学研究及蕉园健康管理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于云南省西双版纳州景洪市嘎洒镇曼金龙村(21°54′12″ N，100°48′25″ E)，属北亚热带高原季风气候，海拔640 m，年平均气温 21.8 ℃，雨量充沛，年平均降雨量 1067.9 mm，雨季集中在6—9月，阳光充足。该试验区前茬种植巴西蕉，在该地区生长周期11个月，枯萎病发病率为40%。

1.2 供试材料

供试品种：巴西蕉(B)和云蕉1号(YJ)2个香蕉品种，下文简称B和YJ，YJ为云南省农业科学院农业环境资源研究所从云南当地农家品种通过组织培养体细胞变异并结合单株抗病鉴定优选出的抗枯萎病(抗4号小种热带型生理小种，TR4)新品种。B是中国目前主要的商业栽培品种。

试验设备：采用型号为LI-COR 6400植物光合测定仪(美国LI-COR公司生产)和Chlorophyll Meter Model SPAD-502 Plus 测定仪。测量主要参数包括光合有效辐射(Photosynthetically active radiation, PAR)、净光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)、暗呼吸速率(Dark respiration rate,Rd)气孔导度(Stomatal conguctance,Gs)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration,Ci)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)，空气中 CO2浓度(CO2concentration in air,Ca)、空气温度(Air temperature,Ta)、空气相对湿度(Air relative humidity,RH)和叶绿素相对含量(Relative content of chlorophyll, SPAD)。

1.3 试验方法

供试品种于2020年4月15日移栽，移载苗均为6叶1心，种植密度2.0 m×2.0 m,采用常规方法管理。测定时间为2020年8月23—26日，此时蕉株为4月龄，正处于旺长时期，选择天气晴朗，无风或小风的天气进行试验数据采集。在田间根据小区实际面积分别种植36～56株。设置3个重复，每个重复12～18株，每重复调查3株，共调查9株。

1.4 数据采集

首先，参照国家农作物种质资源平台、国家作物科学数据中心《香蕉种质资源描述规范》中的方法对巴西蕉(B)和云蕉1号(YJ)健康植株的主要生长量性状(假茎高、假茎粗、叶片长、叶片宽、叶柄长、叶柄粗、叶片数)进行测定，以及对外界环境因子进行数据收集，确保植株长势一致，确保环境条件有利于试验顺利进行；其次，对两个品种的光合日变化与光合-光响应曲线进行测定，确定其基本光合特性。最后，在控光和控CO2的条件下继续探究枯萎病不同发病程度的光合特性差异。

1.4.1 外界环境因子及植株光合日变化测定为探究2个香蕉品种B与YJ 的外界生长环境条件及光合日变化特性，分别随机选取3株无病虫害发生的健壮植株，7:00—19：00每2 h 测定1次，选取第3片完全展开叶(从上往下数)，每叶片测2次主要光合参数(以主脉为中心测叶片左右相对位置)，每次读取3个稳定值，取其平均值。

1.4.2 光合-光响应曲线数据测定光合测定仪用红蓝光源，PAR系列由高到低设置为2300、2000、1700、1400、1100、800、500、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)，利用CO2小钢瓶将浓度设置为400 μmol/mol进行光合-光响应曲线数据测定。

1.4.3 香蕉枯萎病不同发病程度的光合特性影响田间香蕉枯萎病病株外部症状的分级标准参照Viljoen[17]和Arinaitwe等[18]的分级标准略作简化(图1)，按照植株表型症状分为健康植株(0级)、轻度(1级)、中度(2级)、重度(3级)，具体分级标准如下。

图1 不同发病等级的香蕉植株

0级：无任何病虫害危害的植株。

1级：下部1～3片叶轻微发黄，上部叶片正常(从上往下数第3片叶叶色正常)。

2级：下部1～3片叶发黄或枯萎倒垂悬挂于假茎周围，第4～5片叶轻微发黄，上部叶片正常(从上往下数第3片叶叶色正常)。

3级：整株出现黄化现象，下部1～5片叶枯萎，部分叶倒垂悬挂于假茎周围，从上往下数第3片叶50%～60%变黄但不枯萎或部分边缘干枯。

为探究枯萎病不同发病程度对香蕉光合特性的影响，根据光响应曲线(上一步试验所得结果)可知，2个品种的光照强度在增长到1500 μmol/(m2·s)前，Pn的增长速率大，在1500 μmol/(m2·s)后，Pn增长速率变缓，所以试验将光照强度设置为1500 μmol/(m2·s)；根据外界的空气环境中CO2浓度变化在407.04～462.75 μmol/mol(上一步试验所得结果)，所以将CO2浓度设置为400 μmol/mol，保证在相同条件下比较枯萎病不同发病程度对香蕉植株光合特性的影响。

根据不同发病程度，B与YJ分别设置(0、1、2、3级)4个处理，每个处理3次重复，每株选取第3片完全展开叶(从上往下数)，每叶片测2次主要光合参数(以主脉为中心测叶片左右相对位置)，每次读取3个稳定值，取其平均值。

1.5 数据统计分析

利用主要光合参数进行整理计算，根据公式(1)计算得出不同处理下的水分利用效率(Water use efficiency, WUE)，WUE是指水分产出与消耗的比率，可反映植物利用水分的情况，是农业生产中的重要指标[13-15]。

WUE=Pn×100/Tr

(1)

式中WUE表示水分利用效率；Pn表示植物净光合速率，Tr表示植物蒸腾速率。

根据公式(2)计算得出光能利用效率(Light use efficiency, LUE)，LUE是指植物通过光合作用将所获取的能量转化为有机干物质的效率，能够反映植株对光能的利用能力，值越大其利用光能的能力就越强[16]。

LUE=Pn×100/PAR

(2)

式中LUE表示光能利用效率；Pn表示植物净光合速率，PAR表示植物光合有效辐射。

根据公式(3)计算得出叶肉瞬时羧化效率(Instantaneous carboxylation efficiency of mesophyll,Ce)，是表征植物光合能力的重要参数，是光合作用过程中羧化反应这一重要限速反应的速率，对光合速率起着决定作用。

Ce=Pn/Ci

(3)

式中Ce表示叶肉瞬时羧化效率；Pn表示植物净光合速率，Ci表示胞间CO2浓度。

运用软件Microsoft Excel 2017收集整理数据及作图，SPSS 20.0对不同品种及不同处理的香蕉进行单因素方差分析，分析B与YJ的Pn、Gs、Ci、Tr等参数的差异及不同发病程度光合参数的差异；用叶子飘等[19]的光计算机理模型直角双曲线修正模型拟合光响应曲线。

2 结果与分析

2.1 巴西蕉与云蕉1号的田间生长情况

由表1可见，假茎粗、叶柄长、叶柄粗及叶片长YJ显著高于B，而枯萎病发病率YJ显著低于B，说明不同品种间的生物学特性存在一定差异。假茎高和功能叶片数2个品种差异不显著，说明2个品种的生长势比较一致，在同一条件下可以进行光合特性的差异比较。

表1 不同枯萎病抗性香蕉品种的田间生长及发病情况

2.2 香蕉生长的外界环境因子日变化情况

如图2所示，取样地环境因子的日变化，光合有效辐射(PAR)和大气温度(Ta)均呈先上升后下降的变化，呈单峰曲线且变化趋势一致，随PAR逐渐上升，Ta也缓慢上升，全天中PAR的峰值出现在13：00—14：00，为2099.12 μmol/(m2·s)；Ta的日变化相对PAR来说比较平缓且略滞后，峰值出现在15：00—16：00，为38.85 ℃。大气湿度(RH)和大气CO2浓度(Ca)的变化趋势基本一致，RH在 7：00—8：00时太阳直射前最高，为71.25%，随着PAR的增强和Ta的升高，RH在15：00—16：00时下降到最低，为37.65%，16：00后逐渐回升，在19：00—20：00时回升到58.64%；Ca在7：00—8：00时为451.37 μmol/mol，之后逐渐降低，在15：00—16：00时达到低谷，为407.04 μmol/mol，之后较平稳，在19：00—20：00时PAR急剧下降，Ca呈急剧上升达到最大值，为462.75 μmol/mol。

图2 香蕉生长的外界环境因子日变化

2.3 健康巴西蕉与云蕉1号光合特性分析

2.3.1 光合日变化情况如图3-a所示，B与YJ的净光合速率(Pn)日变化均呈 “单峰型”曲线，未出现“光合午休”现象，峰值均出现在13：00—14：00时，分别为26.76和26.63 μmol/(m2·s)(图3-a)。

B与YJ的气孔导度(Gs)日变化均呈“双峰型”曲线，第1个峰值均出现在11：00—12：00，为0.61和0.59 μmol/(m2·s)，在15：00—16：00时出现急剧下降，在17：00—18：00时出现第2个峰值，较第1个峰值小，分别为0.40和0.37 μmol/(m2·s)，在19：00—20：00时又急剧下降，Gs第1峰值的出现时间与Pn出现峰值的时间一致，说明香蕉在进行光合作用时Gs与Pn的变化趋势同步(图3-b)。

B的胞间CO2浓度(Ci)日变化呈先下降后小幅度上升的变化，之后呈急剧上升；YJ的Ci呈“降—升—降—升”变化；B与YJ出现小幅度上升的时间均发生在15：00—16：00时，之后有小幅度波动，在19：00—20：00时呈急剧上升，出现最大值，分别为704.56和575.14 μmol/mol(图3-c)。

B与YJ的蒸腾速率(Tr)日变化均呈 “单峰型”曲线，峰值均出现在13：00—14：00，为11.49和15.59 mmol/(m2·s)。在19：00—20：00时出现最低值，分别为0.85和0.23 mmol/(m2·s)(图3-d)。

a：净光合速率日变化；b：气孔导度日变化；c：胞间CO2浓度日变化；d：蒸腾速率日变化。

2.3.2 净光合速率最大(Pnmax)时光合参数差异分析如表2所示，通过分析B与YJ的日变化分析可知，最大Pn(Pnmax)分别为26.76和26.63 mmol/(m2·s)，差异不显著。当Pnmax时，对Gs、Ci、Tr、WUE、LUE、Ce的差异分析可知，B与YJ的Ci分别为269.83和264.02 μmol/mol，Ce分别为0.06和0.08，该2个光合参数均无显著差异；而Gs、Tr、WUE、LUE、SPAD在2个品种上均有显著差异, YJ显著大于B，说明YJ的气孔开放程度、蒸腾速率更大，在光能利用率和水分利用率方面也优于B，更加有利于光合作用的进行。叶绿素相对含量(SPAD)YJ显著高于B，更加有利于光合作用的进行。

表2 B与YJ的光合参数差异分析

2.3.3 光响应曲线如图4所示，当PAR为0 μmol/(m2·s)时，Pn为负值；在0～800 μmol/(m2·s)时，随着PAR增加，Pn增加迅速，在800～1500 μmol/(m2·s)时，随着PAR增加，Pn增加缓慢，最后与X轴趋于平行(未达到完全平行)。通过利用叶子飘等[19]光响应模型进行拟合得到，B的光补偿点与光饱和点分别为60.86和2250.00 μmol/(m2·s)，YJ的光补偿点与光饱和点分别为57.63和2630.00 μmol/(m2·s)；B与YJ的暗呼吸速率(Rd)分别为3.29和2.98 μmol/(m2·s)，光补偿点YJ低于B，光饱和点YJ高于B，说明YJ在较弱或者强光条件下，利用光能的能力更强，适应的光照范围更加广泛，更加利于植株进行光合作用。

图4 B与YJ的光响应曲线

2.4 香蕉枯萎病不同发病程度的巴西蕉与云蕉1号光合参数变化及差异分析

2.4.1 不同发病程度的光合参数变化与0级相比，B与YJ的Pn在1级时分别下降18.31%和9.99%，下降程度YJ较B小45.4%，YJ表现出一定的抗性；2级时分别下降48.83%和77.61%，下降程度YJ较B大37.08%；3级时分别下降99.04%和91.42%，下降程度YJ较B小7.69%。说明在2、3级时YJ与B 的光合参数均受到枯萎病的影响较大，严重抑制了光合作用(图5-a)。

与0级相比，B与YJ的Gs在1级时分别下降26.67%和13.89%，下降程度YJ较B小47.92%；2级时分别下降70.00%和94.44%，下降程度YJ较B大25.88%；3级分别下降96.67%和97.22%，下降程度YJ较B小0.57%(图5-b)。

与0级相比，B与YJ的Tr在1级时分别下降18.16%和11.48%，下降程度YJ较B小36.78%；2级时分别下降30.41%和49.81%，下降程度YJ较B大38.95%；3级时分别下降91.22%和92.04%，YJ的下降程度较B小0.89%(图5-c)。

与0级相比，B与YJ的Ci在1级时分别下降5.07%和2.22%，下降程度YJ较B小36.78%；2级时分别下降1.18%和1.08%，下降程度YJ较B小8.47%；而3级时呈急剧上升，分别为28.93%和9.89%，上升程度YJ较B小65.81%。B与YJ在1、2级时与0级相比都有下降的趋势，而3级却呈现急剧上升，但B下降或上升的幅度明显大于YJ(图5-d)。

图中数据为平均值±标准差，不同小写字母表示同一香蕉品种的不同发病程度光合参数差异显著(P<0.05)；a表示净光合速率日变化，b表示气孔导度日变化，c表示胞间CO2浓度日变化，d表示蒸腾速率日变化。

2.4.2 巴西蕉与云蕉1号不同发病程度的水分利用率(WUE)、光能利用率(LUE)及叶肉瞬时羧化效率(Ce)差异由表3可见，与0级相比，B与YJ的WUE1级时呈现上升情况，分别上升4.11%和4.05%，上升程度YJ较B小1.46%，2、3级时急剧下降，2级分别下降11.14%、8.11%，3级分别下降77.42%、39.19%，下降程度YJ较B小27.20%和49.38%。随发病程度的加剧，B与YJ的LUE、Ce均呈下降变化且差异显著，与0级相比B与YJ的LUE 1级时分别下降18.02%和9.77%，下降程度YJ较B小45.78%，2、3级急剧下降，2级分别下降48.65%、77.44%；3级分别下降99.10%、91.73%，下降程度YJ较B小37.18%和7.44%；与0级相比B与YJ的Ce1级时分别下降16.67%和12.15%，YJ的下降程度较B小27.11%，2、3级急剧下降，2级分别下降33.33%、50.00%，3级分别下降98.33%、87.50%，下降程度YJ较B小33.34%和11.01%。

表3 B与YJ叶片不同发病程度WUE、LUE、Ce差异

2.4.3 SPAD的差异分析如图6所示，与0级相比，B与YJ的SPAD值在1级分别下降28.75%和23.86%，下降程度YJ较B小17.01%，2级分别下降29.25%和23.94%，下降程度YJ较B小18.15%，3级时分别下降30.55%和28.05%，下降程度YJ较B小8.18%。

图中数据为平均值±标准差，不同小写字母表示同一香蕉品种不同发病程度的SPAD差异显著(P<0.05)。

与0级相比，B与YJ的SPAD值差异显著，而在1、2、3级间无显著差异，说明在健康与感病植株叶片的SPAD值差异显著，但在轻度(1级)、中度(2级)、重度(3级)发病的SPAD值差异不显著，在枯萎病轻度发病植株叶片的SPAD值就会严重降低，对香蕉的光合作用影响较大。

3 讨论

3.1 健康巴西蕉与云蕉1号的主要光合特性

光合作用是指物体将光能转化为有机物并释放能量的重要途径，能够维持植物生长发育，意义重大[20]。在相同的环境条件，同一作物的不同品种光合特性存在一定差异，本研究结果显示YJ与B的Pn、Ci、Tr、Gs日变化趋势一致，说明在营养生长期不同香蕉品种间的光合特性日变化趋势一致，Pn均呈“单峰型”曲线，与王必尊等[11]、刘晚苟等[12]的研究结果一致，但峰值大小及出现时间有差异，可能与香蕉品种、生育时期、土壤类型及气候类型有关。在Pn最大值时，YJ的Tr、Gs显著高于B，说明YJ具有更强大的内部运输能力，这对于加强植物体内矿质元素、水分以及CO2的传输能力、提高光合能力有促进作用；YJ的WUE、LUE也显著高于B，进一步说明YJ在水分利用和光能利用方面均优于B，更加有利于植株对水分及光能的利用。SPAD值可影响植物的基本行为和进行光合作用的功能，而且表现出明显的趋同效应，是光合作用的光敏催化剂，是评价植物光合能力的重要指标，也是反映植物营养状况的重要指标之一[21]，本研究结果中YJ的SPAD值显著高于B的，说明YJ具有较强的光合能力。

光合-光响应曲线反映植物Pn与PAR之间的关系，当光强达到植物的光补偿点时，呼吸消耗与光合作用制造的有机物相等。光补偿点越低植物利用弱光的能力越强，光饱和点越高则表现植物对强光的适应能力越强，光饱和点的范围越广，则植物在强光或弱光的条件下适应能力更强[22]。本研究中YJ的光补偿点较B低，饱和点较B高，能够利用的光照范围更加广泛，适应弱光或者强光的能力更强，且在PAR为0时，Rd、YJ低于B，更加利于有机物质的积累，Rd低的植物只需要较小的净光合作用使净CO2交换速率达到0，因此在弱光环境中，Rd低的植物具有相对优势。所以与B相比，YJ具有更佳的光合性能。本研究通过对不同香蕉品种在营养生长期光合特性的探究可以为云南产区选择适宜品种提供参考依据，同时也可以为选育品种提供参考。

3.2 香蕉枯萎病导致香蕉光合能力下降

一般来说，植物受到胁迫时导致光合作用下降的因素主要分为两类：一是由于气孔的部分关闭导致的气孔限制因素，二是叶肉细胞光合活性下降导致的非气孔限制因素[23]。根据 Farquhar等[24]的气孔限制值分析观点，如果Gs和Ci同时下降，才能说明气孔因素是引起Pn下降的主要原因，如果Gs下降，而Ci维持不变甚至上升，则认为Pn下降的主要原因是叶肉细胞同化能力降低而非气孔因素引起。前人研究表明，在烟草(Nicotianatabacum)[25]、甜瓜(CucumismeloL.)[26]和三七(Panaxnotoginseng)[26]等作物受到病原物侵染后，叶绿体结构受到破坏，非气孔限制阻碍了光能的利用，从而造成细胞间隙CO2积累导致Pn降低。在本研究中B与YJ的叶片随感病程度的加剧Pn、Gs、Tr均呈现下降趋势，与0级相比B与YJ的Gs在1、2级时下降，Ci也下降，说明在1、2级感病轻、中度时导致Pn下降的主要是气孔限制因素，这可能是由于枯萎病侵染使叶片气孔部分收缩或关闭，Gs降低，引起CO2由外界向细胞内扩散的的阻力增加，光合碳固定的底物减少[27]，从而影响光合作用正常运行。与0级相比，在3级时Gs下降，而Ci显著上升，说明在3级感病重度时导致Pn下降的主要是非气孔限制因素，这可能是由于枯萎病胁迫导致叶绿体被破坏，光合器官受到不可逆伤害，光合细胞活性降低[28]，生理功能丧失，从而失去对Ci的调节功能，导致香蕉植株几乎丧失光合能力。

WUE与LUE等参数对表征植物的光合效率和水分利用特征具有重要意义。本研究中B与YJ的WUE在1级时呈小幅度上升，其值与Pn成正比，与Tr成反比，说明在轻度胁迫下，香蕉通过降低Tr从而提高水分利用率以抵抗枯萎病的侵染，这也从侧面反映植物自身的生理调节机制，但当胁迫程度增加时WUE急剧下降，丧失调节能力；B与YJ的LUE随感病程度的加剧在不断下降，说明植物随感病程度的加剧利用光能的能力越来越弱，甚至丧失。