LED光質(zhì)對(duì)蕹菜白銹病發(fā)生及相關(guān)酶活性的影響

劉亞男, 林碧英, 申寶營(yíng), 劉 爽, 柯 彥, 吳宏琪

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002)

蕹菜(IpomoeaaquaticaForsskal)又名空心菜、竹葉菜，屬旋花科番薯屬1年生草本植物，為福建省夏秋季主要蔬菜品種之一。近年來(lái)，隨著蕹菜設(shè)施栽培面積的逐年增加，1年可連種數(shù)茬，其白銹病已由次要病害上升為主要病害[1]。蕹菜白銹病病原為白銹菌(AlbugoipomoeaeaquaticaeSaw)，屬鞭毛菌亞門(mén)真菌[2]，發(fā)病初期在葉正面出現(xiàn)淡黃綠色至黃色斑點(diǎn)，后變褐色，病斑較大，嚴(yán)重時(shí)病斑密集，葉片凹凸畸形，造成落葉；葉背生白色近圓形或不規(guī)則形的隆起狀皰斑，后期皰斑破裂散出白色粉狀物，即病菌的孢子囊，輕碰病葉可見(jiàn)白色粉末飛散；莖稈和根部受害后腫大畸形[3-6]。

蕹菜白銹病夏季發(fā)生率超過(guò)10%，嚴(yán)重田塊達(dá)40%以上[3]，一般6月進(jìn)入發(fā)病期，7—8月進(jìn)入發(fā)病盛期，9月隨氣溫下降病情得到緩解。連續(xù)陰雨天氣或臺(tái)風(fēng)暴雨后白銹病發(fā)病嚴(yán)重，且偏施氮肥可加重病情，其中連作地發(fā)病最重[6]，可通過(guò)清除病株殘葉以減少越冬菌源[7]。蕹菜白銹病一般采用化學(xué)藥劑(如53%精甲霜靈·錳鋅可濕性粉劑800～1 000倍液)進(jìn)行防治[8]，而過(guò)高的農(nóng)藥殘留將威脅人類(lèi)健康。因此，利用植物自身的防御系統(tǒng)，如水楊酸、茉莉酸等防衛(wèi)信號(hào)物質(zhì)的合成及植保素的合成等，來(lái)提高抗病性已成為防治蕹菜白銹病的最佳方法。大量研究表明，光質(zhì)可直接影響植物的抗病性[9]，紅光可以抑制黃瓜白粉病的發(fā)生[10]；UV-B輻射可以破壞多種真菌組織，抑制小麥殼針孢菌、稻瘟病菌等的活性[11-12]；擬南芥接種丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)后，光敏色素信號(hào)途徑、水楊酸的感知、超敏反應(yīng)的發(fā)生及植物系統(tǒng)抗病性的建立之間存在相互作用[13]。但有關(guān)光質(zhì)對(duì)蕹菜白銹病發(fā)生的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究分析了不同光質(zhì)處理下蕹菜白銹病的發(fā)病情況，并探討苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase, PAL)活性與發(fā)病率的相關(guān)性，以期為防治雍菜白銹病提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及光源

試驗(yàn)于2019年5月在福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院設(shè)施溫室內(nèi)進(jìn)行，以市售蕹菜為材料。LED光源購(gòu)于惠州可道科技股份有限公司，燈板安裝在自制的培養(yǎng)箱上，距材料高約50 cm，各光質(zhì)光強(qiáng)均為140 μmol·m-2·s-1，光周期12 h，控制日間、夜間溫度分別為30、25 ℃。營(yíng)養(yǎng)液采用華南農(nóng)大葉菜類(lèi)B配方[14]，pH值為7.0，EC值為1.0～1.2之間。

1.2 試驗(yàn)處理及病害調(diào)查

采用水培的方式，在50 ℃下浸種10 h，用恒溫震蕩箱催芽2 d后，播種在珍珠巖中。待長(zhǎng)到一葉一心時(shí)，移栽至水培盆中，每7天更換1次營(yíng)養(yǎng)液。待長(zhǎng)到兩葉一心時(shí)接種白銹病孢子病菌[15]，并移入溫室內(nèi)進(jìn)行不同光質(zhì)處理。病菌均采集自溫室內(nèi)自然發(fā)生白銹病的植株。共設(shè)4個(gè)光質(zhì)處理：白光(對(duì)照，CK)、紅光、綠光、藍(lán)光。20 d后調(diào)查各處理植株白銹病發(fā)病率：發(fā)病率/%=發(fā)病株數(shù)/總株數(shù)×100。

共統(tǒng)計(jì)植株300株，其中CK處理90株，發(fā)病90株；紅光處理63株，發(fā)病49株；綠光處理71株，發(fā)病64株；藍(lán)光處理76株，發(fā)病51株。參考文獻(xiàn)[16]對(duì)蕹菜白銹病進(jìn)行病情分級(jí)：0級(jí)，無(wú)病癥；1級(jí)，葉片正面出現(xiàn)淡黃色至黃色斑點(diǎn)，但生長(zhǎng)正常；3級(jí)，葉片背面出現(xiàn)隆起白色孢斑，但生長(zhǎng)正常；5級(jí)，孢子沿葉脈生長(zhǎng)，且變?yōu)楹稚~片開(kāi)始輕微皺縮；7級(jí)，褐色孢子破裂，病斑密集，影響生長(zhǎng)；9級(jí)，葉片枯黃，葉、莖出現(xiàn)腫脹、畸形，植株停止生長(zhǎng)或死亡。依據(jù)病情等級(jí)統(tǒng)計(jì)蕹菜白銹病病情指數(shù)(disease index, DI)：

式中，No為調(diào)查總株數(shù)，Ni為各級(jí)病株數(shù)，ri為病情級(jí)數(shù)(i=1，…，9)。

1.3 酶活性的測(cè)定

1.3.1 PAL活性 PAL活性采用Solarbio公司出品的PAL活性檢測(cè)試劑盒(型號(hào)：BC0210，規(guī)格：50T/48S)測(cè)定。

1.3.2 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性 SOD活性參照文獻(xiàn)[17]的方法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2013、Graphpad 8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理；采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)處理對(duì)蕹菜白銹病發(fā)生的影響

不同光質(zhì)處理對(duì)蕹菜白銹病發(fā)生的影響不同(表1)。由表1可知，不同光質(zhì)處理下蕹菜白銹病發(fā)病率依次為：CK>綠光>紅光>藍(lán)光。其中，紅光、綠光和藍(lán)光處理白銹病發(fā)病率分別為77.78%、90.14%和67.11%，比CK降低了22.22%、9.86%和32.89%。不同光質(zhì)處理下白銹病病情指數(shù)依次為：CK>紅光>綠光>藍(lán)光。其中，紅光、綠光和藍(lán)光的病情指數(shù)分別比CK降低了50.49%、62.56%和71.61%，且均達(dá)極顯著差異(P<0.01)。綜合來(lái)看，藍(lán)光處理下白銹病發(fā)病率和病情指數(shù)最低，且病情指數(shù)極顯著小于其他處理，說(shuō)明藍(lán)光可降低蕹菜白銹病的發(fā)病率并延緩病情惡化。

表1 不同光質(zhì)處理下蕹菜白銹病發(fā)病率及病情指數(shù)

1)同列數(shù)值后附不同小寫(xiě)字母者表示差異達(dá)0.01顯著水平。

2.2 不同光質(zhì)處理對(duì)蕹菜白銹病相關(guān)酶活性的影響

圖1 不同光質(zhì)處理下蕹菜PAL活性

2.2.1 PAL活性 PAL是植物次生代謝過(guò)程的重要指標(biāo)之一，其活性與植物的抗病性密切相關(guān)[18]。(1)葉。由圖1可知，藍(lán)光處理下蕹菜葉的PAL活性顯著高于其他處理，比CK提高94.41%；綠光處理下PAL活性與CK無(wú)顯著性差異，而紅光處理則比CK降低68.75%，差異達(dá)顯著水平，說(shuō)明藍(lán)光相比其他光質(zhì)更有利于蕹菜葉PAL活性的提高。(2)根。藍(lán)光處理下蕹菜根的PAL活性與CK差異不顯著，而綠光處理分別比CK、紅光和藍(lán)光處理提高了89.79%、93.69%和89.49%，達(dá)顯著差異，說(shuō)明綠光對(duì)蕹菜根的PAL活性影響較大，而藍(lán)光對(duì)其影響不大。(3)莖。蕹菜莖上部PAL活性依次為：綠光>藍(lán)光>CK>紅光，其中藍(lán)光處理PAL活性顯著高于CK，但比綠光處理降低了88.37%，差異達(dá)顯著水平。莖中部PAL活性依次為：CK>綠光>藍(lán)光>紅光，其中藍(lán)光處理PAL活性分別比CK和綠光處理降低了93.19%和92.85%，差異達(dá)顯著水平；而紅光處理PAL活性最低，僅6.45 U·g-1。莖下部PAL活性依次為：CK>藍(lán)光>綠光>紅光，其中藍(lán)光處理比CK降低了7.33%，比紅光和綠光處理提高了97.13%和94.78%，差異均達(dá)顯著水平。綜合來(lái)看，綠光對(duì)蕹菜莖上部和莖中部的PAL活性影響較大；藍(lán)光則對(duì)莖下部PAL活性影響較大。

圖2 不同光質(zhì)處理下蕹菜SOD活性

2.2.2 SOD活性 SOD反映了植物防御自身氧毒害的能力，其在保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷過(guò)程中起著重要的作用[19-20]。(1)葉。由圖2可知，不同光質(zhì)處理下蕹菜葉SOD活性依次為：綠光>藍(lán)光>紅光>CK。其中，藍(lán)光處理分別比CK和紅光處理提高48.52%和18.81%，差異達(dá)顯著水平；綠光處理則比藍(lán)光處理提高20.16%，差異達(dá)顯著水平。(2)根。蕹菜根SOD活性依次為：綠光>藍(lán)光>紅光>CK。其中，藍(lán)光處理分別比CK和紅光處理提高53.85%和34.62%，差異達(dá)顯著水平；綠光處理則比藍(lán)光處理提高10.34%，差異達(dá)顯著水平。(3)莖。藍(lán)光處理下蕹菜莖上部、中部和下部的SOD活性均最高，分別為22.53、23.94和27.21 U·g-1，與其他處理有顯著性差異。莖上部SOD活性依次為：藍(lán)光>CK>綠光>紅光，藍(lán)光處理比CK提高29.35%，而CK則比綠光、紅光處理提高23.64%、17.15%。藍(lán)光處理下莖中部SOD活性比CK、紅光處理提高64.08%、48.53%；而紅光處理則分別比CK和綠光處理提高30.20%和30.54%，差異達(dá)顯著水平。莖下部SOD活性依次為：藍(lán)光>綠光>紅光>CK，其中藍(lán)光處理比CK和綠光處理提高了57.60%、42.10%。綜合來(lái)看，藍(lán)光處理更有利于提高蕹菜莖各部位SOD活性，而綠光處理則有利于促進(jìn)蕹菜葉和根SOD活性的增加。

2.3 蕹菜白銹病發(fā)病率與PAL活性相關(guān)性分析

表2 蕹菜白銹病發(fā)病率與PAL活性的相關(guān)性

經(jīng)計(jì)算，蕹菜白銹病發(fā)病率與SOD活性相關(guān)性不大，因此僅對(duì)發(fā)病率與PAL活性的相關(guān)性進(jìn)行討論(表2)。由表2可知，以相關(guān)系數(shù)(R)絕對(duì)值>0.75為閾值時(shí)[21]，蕹菜白銹病發(fā)病率與葉的PAL活性呈正相關(guān)，與莖中部的PAL活性呈負(fù)相關(guān)，但與其他部位PAL活性的相關(guān)性不大。說(shuō)明葉及莖中部PAL活性的變化對(duì)白銹病發(fā)病率影響較大。

3 討論與小結(jié)

植物受到病原菌侵染后會(huì)產(chǎn)生一系列的防衛(wèi)反應(yīng)，如活性氧的爆發(fā)、植保素的產(chǎn)生、病原相關(guān)蛋白的合成等[10]，而光在植物對(duì)抗病害的過(guò)程中起著重要作用。藍(lán)光可以有效抑制病害的發(fā)生，并減輕病害發(fā)生程度。袁慧麗[22]發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光照射可降低植株根結(jié)數(shù)，提高根系的PAL活性；吳波等[23]研究表明，采用395 nm波長(zhǎng)的光照射可抑制絲瓜枯萎病菌，且370、380和425 nm波長(zhǎng)的光可顯著緩解絲瓜枯萎病的加重。說(shuō)明波長(zhǎng)在370～425 nm范圍內(nèi)的部分光對(duì)植物病害的發(fā)生有一定的抵御和保護(hù)作用。

苯丙烷類(lèi)代謝是植物次生代謝的一個(gè)重要途徑[18]，而PAL是植物次生代謝，特別是苯丙烷途徑的關(guān)鍵酶和限速酶，與植物的抗病性直接相關(guān)[20]。植物受到病害后，PAL活性及其次生代謝物質(zhì)增加，PAL代謝轉(zhuǎn)化為一系列苯丙素類(lèi)化合物，如黃酮體、木質(zhì)素、生物堿等[24]，這些次生產(chǎn)物對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、抵御病蟲(chóng)害、防御紫外線(xiàn)及構(gòu)成植物支撐系統(tǒng)等方面具有重要意義[25]。本研究表明，藍(lán)光處理下蕹菜白銹病發(fā)病率和病情指數(shù)均最低，且蕹菜葉的PAL活性與白光、紅光和綠光處理均存在顯著性差異，說(shuō)明藍(lán)光是PAL代謝途徑的重要信號(hào)因子。藍(lán)光可抑制蕹菜白銹病的另一個(gè)原因可能是藍(lán)光的波長(zhǎng)更靠近紫外光，而紫外光的預(yù)處理可增強(qiáng)植株的抗病性[26]；UV-B輻射可以破壞多數(shù)真菌組織[10,27]。

抗氧化代謝對(duì)植株抗病也起著關(guān)鍵作用[28]。隨著病害的發(fā)生，細(xì)胞自身發(fā)生氧化爆發(fā)，氧的自由基會(huì)對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重危害，長(zhǎng)時(shí)間將導(dǎo)致植株死亡。SOD活性的增強(qiáng)可提升植株對(duì)氧化爆發(fā)的防御能力，減輕病害的威脅[29]。本試驗(yàn)中綠光處理下葉片的SOD活性顯著高于其他處理；藍(lán)光處理下莖各部位SOD活性顯著高于其他處理。而蕹菜白銹病的主要發(fā)病部位為葉背部。因此，抗氧化代謝途徑在蕹菜抗白銹病中并未起到重要作用，這與王虹[10]探討抗氧化代謝對(duì)黃瓜抗病性作用的結(jié)果一致，說(shuō)明光質(zhì)誘導(dǎo)抗氧化代謝途徑相應(yīng)活動(dòng)的增加并消滅了氧的自由基，但緩解白銹病未起到關(guān)鍵作用。

綜上所述，藍(lán)光主要通過(guò)植物的次生代謝途徑來(lái)抑制蕹菜白銹病。與其他光質(zhì)相比，藍(lán)光顯著降低了白銹病的發(fā)病率，且病情指數(shù)最低，并與PAL活性相關(guān)性顯著。