枯萎病對(duì)香蕉農(nóng)藝性狀及生活史策略的影響

只佳增，杜 浩，岳建偉，周勁松，趙麗娟，張建春

（云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南 河口 661300）

香蕉枯萎病是一種毀滅性的土傳性維管束病害，種苗帶病、病株處理不當(dāng)、土壤酸性、排水不良、多年連作、施用未腐熟的有機(jī)肥等都可導(dǎo)致枯萎病的發(fā)生［1］。發(fā)病株的病原菌可以傳給吸芽，還可以通過(guò)流水遠(yuǎn)距離傳播［2］。枯萎病病原菌由根部侵入香蕉植株后，經(jīng)維管束組織向塊莖發(fā)展擴(kuò)散，感染部位的維管束組織明顯褐化，多伴有假莖基部向內(nèi)縱裂、塊莖腐爛等現(xiàn)象［3］。植物個(gè)體的不同生活史性狀之間在一定時(shí)間內(nèi)所獲得的能量是有限的，由于可利用資源的有限性，經(jīng)常存在著互相制約的權(quán)衡關(guān)系。如果分配給繁殖的資源量增加，那么就會(huì)導(dǎo)致分配給存活、生長(zhǎng)的資源量減少，并進(jìn)而影響到植物未來(lái)的生長(zhǎng)與繁殖活動(dòng)［4］。植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)等關(guān)鍵的生活史特征會(huì)因環(huán)境條件的變化也發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化主要表現(xiàn)在表型可塑性上［5］。在香蕉感病植株與病原微生物之間的相互作用中，病原物侵入寄主后產(chǎn)生激素、酶類(lèi)和毒素等物質(zhì)，這些物質(zhì)都會(huì)給植株造成一定的傷害［6-7］。毒素在病原菌致病過(guò)程中起重要作用，尤其在病菌侵入寄主后，毒素即與細(xì)胞原生質(zhì)膜的某些蛋白質(zhì)結(jié)合，使膜構(gòu)造發(fā)生變化，膜結(jié)構(gòu)和功能都受到損傷，導(dǎo)致膜透性改變，電解質(zhì)外漏，電導(dǎo)值增加以至整個(gè)植株枯萎，而香蕉植株則以啟動(dòng)多種抗病機(jī)制來(lái)抵御病原菌的侵染［8］。感病的香蕉植株為了對(duì)抗香蕉枯萎病需要投入更多的能量，勢(shì)必就會(huì)減少生長(zhǎng)、生殖、維持、消耗、存儲(chǔ)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會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，為保持能量分配合理，每個(gè)物種都有一定的資源分配格局，以便使物種的繁殖和存活效益或適合度達(dá)到最大，這個(gè)格局由自然選擇決定［9］，在這種長(zhǎng)期的自然選擇下形成了以各種生活史特征表現(xiàn)出來(lái)的適應(yīng)性對(duì)策，即生活史對(duì)策［10］。在植物與環(huán)境的長(zhǎng)期相互作用中，生活史一般存在以下兩類(lèi)選擇：在穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行k-選擇，在不穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行r-選擇，這兩類(lèi)選擇分別導(dǎo)致所謂k-對(duì)策者和r-對(duì)策者的演進(jìn)［10］。枯萎病的感染對(duì)香蕉的生活史對(duì)策有著重要的影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)香蕉枯萎病的研究較多，但對(duì)香蕉植株在不同環(huán)境下的生活史對(duì)策研究的報(bào)道較少，本研究擬通過(guò)對(duì)枯萎病感病后香蕉植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)過(guò)程中的資源分配、表型特征的分析，揭示香蕉在感病后對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，明確枯萎病感染下的香蕉植株的生活史性狀及對(duì)策，以期為香蕉抗枯萎病的栽培研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究于2019年4月~2021年4月在云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所香蕉試驗(yàn)基地進(jìn)行，該地海拔98 m，地質(zhì)上處于青藏“反S”形構(gòu)造和紅河—金沙江大斷裂帶上，地貌上屬于滇東南巖溶山原亞區(qū)，低山河谷丘陵地貌，為熱帶季風(fēng)雨林溫?zé)嵝蜌夂颍哂忻黠@的旱季（11月~翌年4月）、雨季（5~10月）之分［11］。年平均氣溫22.6 ℃，極端最高氣溫達(dá)40.9 ℃，極端最低氣溫l.9 ℃；最熱月（7月）平均氣溫27.6 ℃，最冷月（1月）平均氣溫16.4 ℃。年平均降雨量1587.3 mm，降雨長(zhǎng)達(dá)163 d，為高溫高濕氣候，土壤為紅河流域沖積的酸性黃色沙壤土，0~20 cm 土層的土壤pH值在4.5~7.5范圍、有機(jī)質(zhì)含量為20 g/kg、全氮含量1.3 g/kg、全磷含量0.48 g/kg、全鉀含量14.7 g/kg，土壤肥力中等［12］，該試驗(yàn)基地為香蕉枯萎病多發(fā)地。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究試驗(yàn)地內(nèi)種植的香蕉品種主要有巴西蕉、威廉斯。定植株行距為200 cm×250 cm，共6000株，種植面積為4.0 hm2，定植底肥為5.0 kg/株的有機(jī)肥，第1年施用有機(jī)肥6.0 kg/株，硫酸鉀復(fù)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。其他管理同蕉農(nóng)常規(guī)田間管理。

1.3 采樣及測(cè)定方法

香蕉幼苗期（SP）（定植成活至抽出大葉之前）、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（GP）（從抽出大葉至花芽分化前）、花果期（FP）（花芽分化開(kāi)始至果實(shí)成熟），開(kāi)展3次重復(fù)試驗(yàn)，每次重復(fù)在香蕉園內(nèi)以隨機(jī)抽樣方法分別抽樣15株感病株，5株健康株作對(duì)照，參照覃柳燕等［13-14］枯萎病葉片癥狀分級(jí)方法（表1）對(duì)感病植株進(jìn)行病害分級(jí)。同時(shí)測(cè)量植株的假莖高、假莖基部粗（離地30 cm）、吸芽數(shù)量、生物量、葉面積指數(shù)、葉片葉綠素相對(duì)含量（SPAD值）、植株的N、P、K含量，物候期等主要的農(nóng)藝性狀指標(biāo)。葉綠素含量（SPAD值）的測(cè)定采用柯尼卡美能達(dá)SPPAD-502 plus葉綠素測(cè)定儀，葉片營(yíng)養(yǎng)元素的測(cè)定采用FKZY10植物營(yíng)養(yǎng)測(cè)定儀，其中葉面積的測(cè)定參考作者前期研究的香蕉葉面積模型A=0.805P-171.33［12］；葉面積指數(shù)（LAI）由下式中求得：

表1 香蕉枯萎病葉片癥狀的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

式中，A為第i株單片葉面積（cm2），n為第i株的總?cè)~片數(shù)；S0為植株葉片所占地面面積（cm2）；LAI為葉面積指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)在Excel 2007下進(jìn)行，用SPSS 19.0對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），LSD法配合Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用Pearson分析方法進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，開(kāi)展病級(jí)與農(nóng)藝性狀主成分分析，分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果用Origin Pro 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯萎病感病植株幼苗期的性狀差異

在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)香蕉枯萎病發(fā)展到4級(jí)以后的感病植株面臨死亡，無(wú)實(shí)際統(tǒng)計(jì)意義，因此只統(tǒng)計(jì)到3級(jí)病株的農(nóng)藝性狀。由圖1可知，香蕉幼苗期（SP）健康株的農(nóng)藝性狀與枯萎病感病株有顯著差異，其中健康株保留的綠葉數(shù)為6～7片，2級(jí)感病株保留的綠葉數(shù)變化不大，差異不顯著，3級(jí)病株的綠葉數(shù)為4片，與健康株差異顯著；健康株、2級(jí)病株、3級(jí)病株的葉面積指數(shù)（LAI）、假莖高、假莖粗的差異均不顯著；其SPAD值分別為62.75、51.43、27.53，葉綠素的含量在感病以后會(huì)顯著下降；植株含水量會(huì)因病情加重而顯著下降；葉片硝態(tài)氮（NO3-）的含量與2級(jí)病株的差異不顯著，與3級(jí)病株的差異顯著，NO3-含量在3級(jí)感病后極速減小；葉片的P、K含量也因植株感病而減小，其中K含量極顯著減小。

2.2 枯萎病感病植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)期性狀差異

由圖1可知，香蕉營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（GP）2級(jí)病株與健康株的吸芽數(shù)量、保留的綠葉數(shù)量分別為2～4個(gè)、9～10片，它們之間差異不顯著，3級(jí)病株吸芽顯著增多（8.75個(gè)），綠葉數(shù)顯著減少（7.50片）；植株的假莖高、假莖基部粗之間無(wú)顯著性差異；健康株、2級(jí)病株、3級(jí)病株的葉面積指數(shù)分別為1.82、1.40、1.18，葉綠素的SPAD值分別為64.33、55.23、37.03，葉的含水率分別為0.85、0.83、0.73，葉面積指數(shù)、SPAD值、含水率均隨病級(jí)的增加而顯著減小；葉片的NO3-、P、K含量也因植株感病程度加大而顯著減小。

2.3 枯萎病感病植株花果期性狀差異

由圖1可知，香蕉花果期（GP）健康株、2級(jí)病株、3級(jí)病株的吸芽數(shù)分別為8.33、11.6、14.57個(gè)，感病植株的吸芽會(huì)顯著增多；保留的綠葉數(shù)分別為9.5、7.8、6.29片，綠葉數(shù)顯著減少；葉面積指數(shù)分別為2.64、1.87、1.72，感病株的與健康株的差異顯著；葉綠素的SPAD值分別為61.42、50.70、34.53，SPAD值差異顯著；葉片含水率分別為0.86、0.83、0.74，3級(jí)感病株與2級(jí)病株、健康株差異顯著；葉片的NO3-、P、K的含量也因植株感病而顯著減小。

圖1 香蕉不同生長(zhǎng)期健康株與感病株的性狀比較

由圖2可知，花果期健康株的開(kāi)花率為100%、2級(jí)病株為84.9%、3級(jí)病株的為42.8%，感病株的開(kāi)花率顯著降低。果實(shí)期健康株的果指粗為12.2 cm、2級(jí)病株的為9.30 cm、3級(jí)病株的為7.83 cm，感病株與健康株的果指粗差異顯著。

圖2 香蕉花果期開(kāi)花率、果實(shí)性狀差異

2.4 不同生長(zhǎng)期香蕉病級(jí)與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

對(duì)不同生長(zhǎng)期香蕉枯萎病的感病程度與農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)分析（表2）可知，香蕉幼苗期（SP）病級(jí)與葉的SPAD值、葉含水率、NO3-含量、P含量、K含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與其余農(nóng)藝性狀的相關(guān)性不顯著，可見(jiàn)在幼苗期感染香蕉枯萎病植株葉的水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素含量等均會(huì)顯著減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但在表型上體現(xiàn)不明顯，一般病級(jí)達(dá)到3級(jí)以后就很難維持生長(zhǎng)而死去。營(yíng)養(yǎng)期（GP）病級(jí)與吸芽數(shù)量顯著正相關(guān)，與綠葉數(shù)、假莖高無(wú)顯著相關(guān)性，與LAI、SPAD值、葉含水率、NO3-含量、P含量、K含量呈顯著負(fù)相關(guān)，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期感染香蕉枯萎病的植株吸芽顯著增多，植株的葉綠素含量、水分、有效N、有效P、有效K含量等均會(huì)顯著減少，植株的表型有明顯的感病特征，植株本身葉片發(fā)黃，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)緩慢甚至死亡。花果期（FP）病級(jí)與吸芽數(shù)量呈顯著正相關(guān)，與其他性狀呈顯著負(fù)相關(guān)，可見(jiàn)在花果期枯萎病植株的綠葉數(shù)、LAI、葉綠素含量、葉含水率、NO3-含量、P含量、K含量等均會(huì)顯著減少，吸芽數(shù)顯著增多，花芽分化減少或延后，大部分植株停留在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，開(kāi)花后結(jié)出的果實(shí)較小，有些畸形，很難成熟。可見(jiàn)，感染枯萎病后植株傾向于分化更多的無(wú)性繁殖體（吸芽）的生殖生長(zhǎng)策略來(lái)對(duì)抗枯萎病等不利環(huán)境。

表2 不同生長(zhǎng)期香蕉病級(jí)與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性檢驗(yàn)

2.5 香蕉病級(jí)對(duì)農(nóng)藝性狀影響的主成分分析

由相關(guān)性分析可知，不同性狀之間存在信息重疊，通過(guò)對(duì)這些性狀變量進(jìn)行降維處理，用主成分分析法來(lái)綜合評(píng)價(jià)病級(jí)與農(nóng)藝性狀的相互關(guān)系。由表3可知，特征值大于1、特征值統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著水平（P＜0.05）的主成分有2個(gè)，分別命名為PC1、PC2。其中PC1的特征值為8.79，貢獻(xiàn)率為67.61%；PC2的特征值為2.06，貢獻(xiàn)率為15.85%，方差的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)83.45%。旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣表明，在PC1中，載荷較高的性狀為SPAD值、NO3-含量、K含量、假莖高、病級(jí)、葉的含水率、P含量、吸芽數(shù)，載荷值分別為0.97、0.96、0.95、0.95、-0.93、0.90、0.86、-0.84，其中病級(jí)與香蕉吸芽數(shù)量的載荷貢獻(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明病級(jí)與吸芽數(shù)量的變化與其他農(nóng)藝性狀呈負(fù)相關(guān)，這和病級(jí)與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析結(jié)果一致。在PC2中，載荷較高的為開(kāi)花率、果指粗，載荷值分別為-0.96、-0.94，因此可以將PC2稱(chēng)為生殖生長(zhǎng)因子，結(jié)果說(shuō)明病級(jí)與開(kāi)花率、果指粗呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)不同生長(zhǎng)期的病級(jí)與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性進(jìn)行主成分分析作圖（圖3）可知，各性狀之間，SP與GP、FP的分組較遠(yuǎn)，SP各農(nóng)藝性狀指標(biāo)聚集較高，可見(jiàn)病級(jí)對(duì)幼苗期的SPAD值、葉含水率、NO3-含量、P含量、K含量等一些農(nóng)藝性狀的影響更大，也進(jìn)一步說(shuō)明香蕉幼苗對(duì)枯萎病的抵抗能力較差。

圖3 香蕉不同生長(zhǎng)期與各農(nóng)藝性狀的主成分分析

表3 香蕉病級(jí)與各農(nóng)藝性狀的主成分載荷和貢獻(xiàn)率

3 討論

當(dāng)香蕉被枯萎病菌侵染之后，其生理生化過(guò)程會(huì)被破壞，尤其是對(duì)養(yǎng)分的吸收、同化以及從地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)受到嚴(yán)重影響，植物生長(zhǎng)所必需的大量元素氮（N）、有效磷（P）、有效鉀（K）等礦質(zhì)養(yǎng)分含量均會(huì)顯著減小，礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不僅影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，而且還能以多種形式直接或間接地影響植物的感病或者抗病性［3］，礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素不僅可以植物組織的組分直接參與新陳代謝，還可改變植物的生長(zhǎng)方式、表型特性等，増強(qiáng)或減弱植物的病蟲(chóng)害抵抗能力，從而影響植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量［15］。營(yíng)養(yǎng)元素尤其是氮的減少導(dǎo)致葉綠素細(xì)胞形成減少，葉綠素含量減少和綠葉面積指數(shù)減小，其光合作用能力會(huì)減弱［16］。鉀能促進(jìn)蛋白質(zhì)、糖類(lèi)的合成及運(yùn)輸，能夠降低寄主植物對(duì)病害的敏感性，增強(qiáng)表皮細(xì)胞的細(xì)胞壁厚度，因而鉀有利于抵御病原菌的侵染［17］，當(dāng)香蕉缺鉀時(shí)，代謝功能發(fā)生改變，對(duì)寄生型的枯萎病特別敏感。磷參與組成的ATP、FMN、NAD＋、NADP＋等均參與植物的光合作用、呼吸作用等過(guò)程，是植物代謝過(guò)程中不可缺少的，磷在植物抗病中起到重要作用［18-19］。當(dāng)香蕉植株的氮、磷、鉀含量缺乏時(shí)，植株生長(zhǎng)緩慢甚至停止，尤其幼苗本身的光合能力較弱，感病后因光合作用能力下降，植株難以保證正常生長(zhǎng)所需的能量，加上抗病性的下降，幼苗病情發(fā)展迅速，病級(jí)達(dá)到3級(jí)以后就很難維持生長(zhǎng)而死去，主成分分析結(jié)果表明感病程度對(duì)幼苗期的SPAD值、葉含水率NO3

-含量、P含量、K含量等一些農(nóng)藝性狀的影響更大，也進(jìn)一步說(shuō)明香蕉幼苗期對(duì)枯萎病的抵抗能力較差。營(yíng)養(yǎng)期和花果期的植株抵御病害的能力較強(qiáng)，枯萎病的病情發(fā)展往往較幼苗期的慢，植株的病死率也較低。

植物的形態(tài)可塑性變化是植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化所表現(xiàn)出的一種形態(tài)可塑性的能力［20］，涉及功能可塑性、形態(tài)結(jié)構(gòu)可塑性、生理生化可塑性、生長(zhǎng)發(fā)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狀［20］，相關(guān)性和主成分分析表明香蕉感病程度與其農(nóng)藝性狀指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，與吸芽數(shù)量呈正相關(guān)，說(shuō)明香蕉感染枯萎病以后，為應(yīng)對(duì)微生境的變化，會(huì)投資更多的能量來(lái)對(duì)抗枯萎病菌，減少營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的能量投入，這樣會(huì)進(jìn)一步加快植株的衰老速度，使得保留的綠葉數(shù)量相應(yīng)地減少，植株假莖的生長(zhǎng)速度就會(huì)減弱甚至停止。研究結(jié)果顯示香蕉花果期病級(jí)與開(kāi)花率、果指粗呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在自然的選擇壓力下，感染枯萎病的植株在繁殖策略上會(huì)有較大的調(diào)整，感病植株吸芽數(shù)顯著多于健康植株，營(yíng)養(yǎng)期及以后感病株在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)形成更多的無(wú)性繁殖體——吸芽，即以增加更多無(wú)性繁殖體的方式（r-對(duì)策）來(lái)適應(yīng)環(huán)境。根據(jù)物質(zhì)分配原則，生物量大量投資到無(wú)性繁殖體必然減少對(duì)有性繁殖的投資［21-25］，這樣勢(shì)必從地上部分轉(zhuǎn)移一部分同化物質(zhì)用于吸芽的分化，從而出現(xiàn)了香蕉能量物質(zhì)的分配由平衡向地下部分側(cè)重的局面［21-22］，導(dǎo)致感病株的花芽分化期延遲，部分的植株不進(jìn)行花芽分化，長(zhǎng)期停留在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，花芽分化后的感病植株在果實(shí)生長(zhǎng)期的能量投入比例也顯著少于健康株的，導(dǎo)致果指較小、畸形果或發(fā)育不成熟，這是香蕉為適應(yīng)枯萎病菌易感生境，防止滅絕的生活史策略。香蕉植株會(huì)根據(jù)不同的生存環(huán)境形成不同的適應(yīng)性對(duì)策［25］。感病植株為保障種群的存活效益達(dá)到最大，會(huì)適當(dāng)增強(qiáng)分生無(wú)性繁殖體的能力，生活史對(duì)策上感病植株更趨向于r-對(duì)策者的演進(jìn)，健康植株則趨向于穩(wěn)健生長(zhǎng)的k-對(duì)策者。