白粉病對(duì)葡萄葉片光譜反射特征及葉片生理的影響*

劉博艷，張 靜，李浩宇，王 翼，康占海，尹寶重

（1 河北科技學(xué)院，保定071001）（2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院）

葡萄白粉病是由葡萄鉤絲殼菌［Uncinula necator（Schw.）Burr.］侵染引起的真菌病害，在葡萄產(chǎn)區(qū)廣泛發(fā)生[1-2]。有報(bào)道顯示，白粉病輕度發(fā)生的葡萄園損失一般在15%～30%，嚴(yán)重的園地?fù)p失在70%以上，甚至絕收[3-4]。該病主要危害葉片、新梢和其他幼嫩器官，對(duì)葉片生理功能影響嚴(yán)重，表現(xiàn)為葉綠素含量下降、葉片早衰、光合功能降低[5]。另外，白粉病作為一種典型的氣傳葉部病害，在適宜的環(huán)境條件下，往往會(huì)形成較強(qiáng)的流行性，容易在短期內(nèi)大范圍擴(kuò)展，嚴(yán)重影響植株長(zhǎng)勢(shì)。因此，加強(qiáng)對(duì)葡萄白粉病發(fā)生潛勢(shì)與流行監(jiān)控，是病害精準(zhǔn)高效防控的重要前提。

現(xiàn)階段，葡萄白粉病的監(jiān)測(cè)更多依靠人工判定，工作量大且準(zhǔn)確度不高，在影響病害發(fā)生程度監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)，也影響了防控時(shí)期與用藥量的確定，尤其在規(guī)模化種植的背景下，傳統(tǒng)病害監(jiān)測(cè)手段已無(wú)法適應(yīng)。因此，無(wú)論從生產(chǎn)中還是科研實(shí)踐中，建立白粉病快速監(jiān)測(cè)體系，對(duì)提高作物病害監(jiān)測(cè)、防控效率有重要意義。從作物感病后所表現(xiàn)的特征來(lái)看，作物被病原菌侵染后，葉片色素、水分含量、光合生理狀態(tài)等均會(huì)發(fā)生變化[6-7]。而葉片作為癥狀表現(xiàn)比較集中的器官，同時(shí)又是同化物合成最多的器官，在病害發(fā)生后一般都會(huì)從形態(tài)到生理發(fā)生一系列改變。比如，當(dāng)作物受到持續(xù)的病害脅迫后，其葉片細(xì)胞活性、生化組分，甚至葉片顏色、形態(tài)和角度等均會(huì)隨之改變，進(jìn)而引起冠層反射光譜發(fā)生變化[8-9]。

因此，利用冠層和葉片對(duì)不同波段光譜反射特征及成像差異，明確其與作物病害種類和程度的相關(guān)關(guān)系，為作物病害高效調(diào)查、跟蹤和防控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)提高病害防控效率，尤其開(kāi)展無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)的果園精準(zhǔn)施藥和病害評(píng)估具有重要意義。本研究通過(guò)調(diào)查感白粉病葡萄葉部光譜反射差異、葉綠素（Chl）含量、丙二醛（MDA）含量、電導(dǎo)率（EC）、水勢(shì)（ψ）的變化，并明確不同指標(biāo)的相關(guān)性，為葡萄白粉病智能綠色高效防控體系的建立提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020 年葡萄生長(zhǎng)季在河北省辛集市張古莊鎮(zhèn)辛集市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地塊土壤為中性壤土，0～20 cm 耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量14.9 g/kg、全氮含量1.32 g/kg、堿解氮含量67.9 mg/kg、速效磷含量24.6 mg/kg、速效鉀含量115.7 mg/kg。試驗(yàn)區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候，平均年降水量453.5 mm，6—9 月為該區(qū)葡萄花期和漿果成熟期，常年累計(jì)降水量303.4 mm；2020 年6—9 月累計(jì)降水量276.3 mm，為正常降水年份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試葡萄品種為巨峰，植株為4 年生，雙壁籬架式，架高1.8 m，行株距4.0 m×1.3 m，葉幕高度1.5 m。試驗(yàn)共分4 個(gè)小區(qū)，每小區(qū)20 株，小區(qū)內(nèi)不進(jìn)行葉部病害防控，其他常規(guī)管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉片光譜反射率

在葡萄漿果生長(zhǎng)中期（7 月中旬）和后期（8月中旬），分別選擇3 個(gè)晴天（7 月14、15、16 日和8 月14、15、16 日），于每天9：00—11：00，每小區(qū)選擇典型白粉病感病植株5 株，每株固定2個(gè)新梢，每個(gè)新梢自上而下調(diào)查9 片葉片（分上中下3 個(gè)部分，每部分3 片葉），按9 級(jí)分類法[8]，對(duì)感白粉病葉片進(jìn)行分級(jí)，用CI-710 便攜式光譜儀對(duì)相同部位不同級(jí)別葉片進(jìn)行光譜反射率測(cè)定，測(cè)定時(shí)選擇葉片上部、中部和基部各測(cè)1 次，計(jì)算每片葉片的平均值。

1.3.2 葉片生理指標(biāo)

于第1 次葉片光譜測(cè)定同時(shí)（記為0 d），以及之后每隔6 d 測(cè)定1 次生理指標(biāo)，至第2 階段光譜反射率測(cè)定位置，共5 次。測(cè)定內(nèi)容包括水勢(shì)（ψ）、丙二醛（MDA）含量、電導(dǎo)率（EC）和葉綠素（Chl）含量，每次測(cè)定均在每個(gè)小區(qū)按9 級(jí)分類法確定白粉病發(fā)病程度，分類標(biāo)準(zhǔn)參考杜鴻燕等[1]的病害發(fā)生程度分類方法，即：健株（0 級(jí)），無(wú)病葉；3級(jí)，病斑面積占整片葉面積的6%～10%；5 級(jí)，病斑面積占整片葉面積的11%～25%；7 級(jí)，病斑面積占整片葉面積的26%～50%；9 級(jí)，病斑面積大于整片葉面積的51%。于新梢上選擇病級(jí)相同的葉片各3 片，采用PMS-100 型植物氣穴壓力室測(cè)定葉片水勢(shì)，采用硫代巴比妥酸（TAB）法測(cè)定MDA 含量[9]，采用FE30-FiveEasy 型電導(dǎo)率儀測(cè)定EC 值。采用丙酮提取法測(cè)定葉綠素a（Chla）和葉綠素b（Chlb）含量，計(jì)算葉綠素總量（Chla ＋Chlb）[10]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，多重比較分析采用LSD 法，采用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同白粉病感病級(jí)別葡萄葉片光譜反射特征

由圖1-a 可知，在400～670 nm 波段的可見(jiàn)光區(qū)，該波段主要為葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素吸收帶，各病級(jí)葉片反射率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在550 nm 左右出現(xiàn)反射峰，但感病級(jí)別不同反射峰值和平均反射比例均有較大差異。其中，健康葉片（0 級(jí)）反射峰值為24%以上；感病3 級(jí)和5級(jí)相差較小，平均20.6%；而感病7 級(jí)及以上降低較為明顯，反射峰值均低于20%，且感病9 級(jí)葉片反射峰值僅為14.8%。400～670 nm 波段，不同感病級(jí)別葉片平均反射率相比，感病級(jí)別越低，其反射率也明顯更高。670～760 nm 波段，是單葉水平反射率迅速提高的區(qū)間，尤其與葉綠素含量密切相關(guān)的700～760 nm 波段，葉片反射率提高更為迅速。不同感病級(jí)別葉片對(duì)比，感病較輕的葉片其反射峰值更高，且感病較重葉片峰值出現(xiàn)得更早，即“藍(lán)移”現(xiàn)象更為明顯。比如，健康葉片（0 級(jí)）在760 nm 處反射率在60%以上，之后增幅便趨于平緩，而感病7 級(jí)和9 級(jí)的均在750 nm 波段以前就進(jìn)入反射率增幅平緩區(qū)。在760～1 000 nm 的近紅外反射區(qū)，各感病級(jí)別葉片反射率變化均較小，但不同病級(jí)葉片反射率差異較大，且有顯著區(qū)別，其中健康葉片（0 級(jí)）反射率均值最高（63.5%），平均比其他4 個(gè)感病級(jí)別高7.9 個(gè)百分點(diǎn)，比感病最嚴(yán)重的9級(jí)葉片則高12.5 個(gè)百分點(diǎn)。漿果生長(zhǎng)后期各波段反射率與中期基本相似，但各級(jí)別反射率更低（圖1-b）。

總體看，白粉病可顯著降低葉片反射率，感病級(jí)別越高，反射率降低越明顯，漿果生長(zhǎng)中期和后期，各感病級(jí)別葉片與健株相比，分別平均下降16.5%和14.3%，生育期推遲會(huì)整體降低葉片反射率。400～670 nm 波段不同病級(jí)葉片光譜反射率降幅最大，平均降幅25.6%；760～1 000 nm 波段其次，為13.0%（圖1-c、d）。

圖1 不同白粉病發(fā)病程度葡萄葉片光譜反射率的差異

2.2 不同白粉病感病級(jí)別對(duì)葡萄葉片水勢(shì)、MDA含量和電導(dǎo)率的影響

由圖2 可知，隨生育期推進(jìn)，葡萄葉片雖然也存在自然衰老現(xiàn)象，導(dǎo)致水勢(shì)下降，MDA 含量和電導(dǎo)率上升，但其自然變化幅度相對(duì)較小。從葡萄漿果生長(zhǎng)中期至后期共30 d 測(cè)定區(qū)間，健康的葡萄葉片其水勢(shì)下降32.8%，MDA 含量和電導(dǎo)率則分別上升29.6%和29.1%。而感白粉病葡萄葉片其水勢(shì)隨生育期推進(jìn)降幅顯著大于健康葉片，4 個(gè)不同感病級(jí)別葉片在30 d 測(cè)定期內(nèi)水勢(shì)平均降幅54.4%，其中，9 級(jí)感病葉片水勢(shì)降幅最高（64.3%）。不同級(jí)別葉片水勢(shì)降低幅度也有一定差異，感病3 級(jí)和5級(jí)葉片，水勢(shì)降幅相對(duì)較小，與健康葉片類似，基本呈較為平緩的線性下降趨勢(shì)，測(cè)定期內(nèi)平均日降幅1.6%；感病7 級(jí)及以上級(jí)別降幅則明顯大于3 級(jí)和5 級(jí)，日降幅2.1%（圖2-a）。

圖2 不同白粉病發(fā)病程度葡萄葉片水勢(shì)（a）、MDA 含量（b）和電導(dǎo)率（c）的差異

MDA 含量和電導(dǎo)率增幅變化規(guī)律與水勢(shì)類似。與健康葉片相比，感病3 級(jí)和5 級(jí)葉片，其MDA含量變化差異較小，測(cè)定期內(nèi)，3 級(jí)和5 級(jí)感病葉片MDA 含量平均增幅38.5%，比健康葉片平均高8.9 個(gè)百分點(diǎn)。7 級(jí)及以上則增幅較大，30 d 測(cè)定期內(nèi)，7 級(jí)和9 級(jí)感病葉片MDA 含量平均增加71.4%，其中9 級(jí)感病增幅最高，為73.4%（圖2-b）。MDA含量的增加和水勢(shì)的下降引起了細(xì)胞過(guò)氧化，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。由圖2-c 可知，在中輕度感病（3 級(jí)和5 級(jí)）情況下，葉片電解質(zhì)外滲引起的電導(dǎo)率增幅相對(duì)較低，僅比健康葉片高2.7 個(gè)百分點(diǎn)；但5級(jí)以上葉片電導(dǎo)率則顯著增加，平均增幅57.2%。

由此可見(jiàn)，白粉病可顯著降低葡萄葉片水勢(shì)，增加MDA 含量和電導(dǎo)率。與健康葉片相比，3 級(jí)和5 級(jí)中輕度感病葉片變幅較小，7 級(jí)和9 級(jí)感病葉片變幅較大，水勢(shì)降幅、MDA 含量和電導(dǎo)率增幅分別平均比健康葉片高29.4、41.9、28.5 個(gè)百分點(diǎn)，而且隨著葉片衰老，病害造成的影響有加劇趨勢(shì)。

2.3 不同白粉病感病級(jí)別對(duì)葡萄葉片葉綠素含量的影響

由圖3 可知，自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，葡萄葉片葉綠素含量隨生育期也存在一定程度的下降，30 d 測(cè)定期內(nèi)，Chla＋Chlb 共下降13.6%，Chla 和Chlb 降幅分別為13.0%和15.6%，其中，Chla 降幅較小。白粉病可顯著加速葡萄葉片葉綠素分解，在漿果生長(zhǎng)中期進(jìn)行調(diào)查（0 d），白粉病不同感病級(jí)別葡萄葉片便已經(jīng)對(duì)葉片葉綠素含量造成一定影響，4 個(gè)不同感病級(jí)別葉片Chla＋Chlb 平均降低49.2%，其中感病3 級(jí)和5 級(jí)葉片Chla＋Chlb 平均下降10.7%，7 級(jí)和9 級(jí)則平均下降32.8%。隨生育期推進(jìn)，葉片逐漸有衰老的傾向，白粉病對(duì)葉綠素的影響程度依然存在，3 級(jí)和5 級(jí)降幅相對(duì)較小，30 d 測(cè)定期內(nèi)，葡萄葉片葉綠素總量平均降幅25.2%（Chla 和Chlb 含量分別下降25.3%和25.0%）；7 級(jí)和9 級(jí)平均降幅則達(dá)到43.5%，Chla 和Chlb 含量降幅分別為45.5%和35.5%。其中，Chla 和Chlb 含量降幅差異較小，尤其感病3 級(jí)葉片，與健康葉片葉綠素含量變化更為接近；而感病5 級(jí)葉片Chlb 含量變化則與感病7 級(jí)葉片Chlb 含量降幅更為接近，這說(shuō)明Chla和Chlb 含量變化受病害影響的表現(xiàn)并不同步。

圖3 不同白粉病發(fā)病程度葉片葉綠素a 含量（a）、葉綠素b 含量（b）和葉綠素總量（c）的差異

總體看，各級(jí)別白粉病葉片均可引起葉綠素下降，與健康葉片相比，3 級(jí)和5 級(jí)的中輕度感病葉片變幅較小，感病7 級(jí)和9 級(jí)葉片變幅較大，30 d測(cè)定期內(nèi)，分別平均比健康葉片自然降幅高25.2、43.5 個(gè)百分點(diǎn)，且生育期推遲，隨葉片衰老，白粉病對(duì)葉綠素含量的影響呈加劇趨勢(shì)。

2.4 感白粉病葡萄葉片光譜反射特征與生理指標(biāo)的相關(guān)性

由圖4-a 可知，在漿果生長(zhǎng)中期，R1 與R3 波段反射率與ψ、Chla 和Chlb 含量呈顯著正相關(guān)（r≥0.96），與MDA 含量和EC 則呈顯著負(fù)相關(guān)（r≥-0.92）；R2 波段反射率與ψ、Chla 和Chlb 含量也呈正相關(guān)，但相關(guān)性稍低，分別為0.84、0.72 和0.87，與MDA 含量和EC 負(fù)相關(guān)性也較低，分別為-0.71 和-0.74。漿果生長(zhǎng)后期，R1、R2 與R3 波段反射率與ψ、Chla 含量、Chlb 含量、MDA 含量和EC 相關(guān)性規(guī)律與漿果生長(zhǎng)中期一致（圖4-b）。另外，各生理指標(biāo)之間也有較為顯著的相關(guān)性，其中ψ與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)，MDA 含量、EC 則與葉綠素含量呈顯著負(fù)相關(guān)。漿果生長(zhǎng)中期至后期，各生理指標(biāo)均有較大變幅，ψ與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)，MDA 含量、EC 變幅則與葉綠素含量呈顯著負(fù)相關(guān)。漿果生長(zhǎng)中期至后期，3 個(gè)波段反射率變幅與生理指標(biāo)變幅相關(guān)性較小（圖4-c）。

圖4 不同白粉病發(fā)病程度葉片光譜反射特征與生理指標(biāo)的相關(guān)性

綜上所述，在漿果生長(zhǎng)中期和后期，400～670、670～760、760～1 000 nm 3 個(gè)波段反射率與ψ、Chla含量、Chlb 含量均呈顯著正相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)為0.90；其中，400～670 nm 與ψ、Chla 含量、Chlb含量相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)系數(shù)分別為1.00、0.98 和0.99。不同波段反射率與MDA 含量、EC 則均呈顯著負(fù)相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)為-0.86。3 個(gè)波段在結(jié)果期內(nèi)反射率變幅與生理指標(biāo)變幅相關(guān)性較小。

3 討論與結(jié)論

植物葉片色素含量、含水量以及相關(guān)表型特征的改變均會(huì)引起其反射光譜的差異[11-12]，同時(shí)各生理指標(biāo)之間也存在較大的關(guān)聯(lián)性，因此，通過(guò)研究植物葉片反射光譜與生理、表型性狀的相關(guān)性，并借助反射光譜快速、無(wú)損和高效等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高逆境脅迫對(duì)植物影響的監(jiān)測(cè)效率具有重要價(jià)值[13-14]。比如，有研究表明，葉綠素含量降低會(huì)導(dǎo)致作物在可見(jiàn)光波段光吸收程度減弱，反射率增大[15]；水分含量降低以及葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)改變會(huì)導(dǎo)致作物近紅外波段反射率增大；而許多病害均可引起植物葉片葉綠素和含水量的改變，進(jìn)而引起冠層反射率的改變。

本研究表明，白粉病可顯著降低葉片反射率，感病級(jí)別越高，反射率降低越顯著，生育期推遲會(huì)整體降低葉片反射率。不同波段相比，可見(jiàn)光波段反射率受病害影響降幅最大，近紅外波段其次。進(jìn)一步對(duì)葉片受白粉病侵染后的生理指標(biāo)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，白粉病可顯著降低葡萄葉片水勢(shì)，增加MDA 含量和電導(dǎo)率，并降低葉綠素含量。與健康葉片相比，3 級(jí)和5 級(jí)的中輕度感病葉片變幅較小，感病7 級(jí)和9 級(jí)葉片變幅較大，而且隨葉片衰老，病害造成的影響有加劇趨勢(shì)。同時(shí)，各波段葉片反射率與ψ、Chla 含量、Chlb 含量呈顯著正相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)為0.90，與MDA 含量和EC 則呈顯著負(fù)相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)為-0.86。由此可見(jiàn)，感白粉病葡萄葉片內(nèi)部生理指標(biāo)發(fā)生的變化，包括葉綠體分解、細(xì)胞含水量下降，以及滲透調(diào)節(jié)失調(diào)等都在葉片表型性狀中得以反映，而且具有很強(qiáng)的相關(guān)性，其中水勢(shì)、葉綠素含量與光譜反射率相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9，與MDA 含量和EC 值也超過(guò)0.8。這也豐富了葡萄白粉病從表型到生理變化關(guān)聯(lián)特征研究的手段，為更深層認(rèn)識(shí)病害對(duì)植物生理和表型帶來(lái)的協(xié)同影響效應(yīng)提供了新思路。