苯甲酸胁迫下间作对蚕豆自毒效应的缓解机制*

陈 玲,董 坤,杨智仙,董 艳**,汤 利,郑 毅,4

(1.云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201;2.云南农业大学食品科技学院 昆明 650201;3.云南大学 昆明 650091;4.西南林业大学 昆明 650224)

苯甲酸胁迫下间作对蚕豆自毒效应的缓解机制*

陈 玲1,董 坤2,杨智仙3,董 艳1**,汤 利1,郑 毅1,4

(1.云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201;2.云南农业大学食品科技学院 昆明 650201;3.云南大学 昆明 650091;4.西南林业大学 昆明 650224)

苯甲酸是引起蚕豆连作障碍的主要自毒物质之一。本文采用水培试验,研究了不同浓度苯甲酸[C0(0mg·L-1)、C1(50mg·L-1)、C2(100mg·L-1)和C3(200mg·L-1)]处理对与小麦间作的蚕豆幼苗生长和枯萎病发生的影响,从生理抗性角度探讨小麦与蚕豆间作对缓解苯甲酸自毒效应的机制,为合理利用间作缓解连作障碍,实现农业可持续发展提供科学依据。结果表明:与C0处理相比,不同浓度苯甲酸处理均显著抑制了蚕豆幼苗的生长,并且随处理浓度升高,抑制效应增强;同时显著提高了蚕豆枯萎病发病率和病情指数;蚕豆根系和叶片的 MDA含量显著提高，但抗氧化酶(POD和CAT)活性和病程相关蛋白(β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶)活性均随苯甲酸处理浓度升高而降低。表明不同浓度苯甲酸处理均显著抑制了蚕豆的生长,降低蚕豆的生理抗性而促进枯萎病发生。与单作蚕豆相比,蚕豆与小麦间作显著提高了苯甲酸胁迫下蚕豆的地上部干重(17.0%～47.1%),降低了发病率(11.1%～25.0%)和病情指数(20.0%～42.1%);蚕豆根系和叶片中 POD活性分别提高12.9%～16.9%和9.3%～24.9%,CAT活性分别提高10.3%～54.0%和6.6%～20.5%,蚕豆根系的β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性分别提高4.7%～13.1%和6.7%～15.8%,MDA含量分别降低19.5%～25.4%和20.5%～29.9%。C2处理下间作提高抗氧化酶和病程相关蛋白活性的效果最好,抗病效果最佳。表明小麦与蚕豆间作通过提高蚕豆的生理抗性而减轻苯甲酸引起的枯萎病危害,促进蚕豆生长,是缓解苯甲酸自毒效应的有效措施。

苯甲酸;蚕豆;连作障碍;间作;抗氧化酶;病程相关蛋白;枯萎病

受土地资源短缺、种植习惯、环境条件和经济利益驱动等条件制约,我国在同一块土地上连续种植同科或同一种作物的现象非常普遍[1]。长期单一作物连作,会出现植株生长和发育受阻,土传病害严重发生,从而导致大幅减产的连作障碍问题[1]。多年来,大量研究表明土壤养分缺乏、土壤酶活性降低、根际微生物区系恶化和土传病害高发等均会导致连作障碍发生。近年来的研究表明,连作土壤中酚酸类物质的累积是导致多种作物连作障碍发生的重要原因[2-3]。目前研究者已从多种作物根系分泌物和连作土壤中检测出肉桂酸、对羟基苯甲酸、苯甲酸、香草酸、丁香酸、香豆酸和阿魏酸等多种酚酸物质[3-4],并证明了这些酚酸是导致韭菜(Cunninghamia lanceolata)、黄瓜(Cucumis sativus)、茄子(Solanum melongena)、番茄(Solanum lycopersicum)等作物发生连作障碍的自毒物质,其中苯甲酸是西瓜(Citrullus lanatus)、芋头(Colocasia esculenta)和人参(Panax ginseng)等作物连作土壤和根系分泌物中主要的酚酸物质[1,5],在连作西瓜和人参中已证明苯甲酸能显著促进黄瓜枯萎病和人参锈病的发生[6-7]。我们前期在田间试验中发现,连作条件下蚕豆(Vicia faba)出苗差,生长瘦弱,枯萎病发病较严重;进一步通过高效液相色谱在蚕豆连作土壤中检测到7种酚酸(对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸、阿魏酸、水杨酸、肉桂酸、苯甲酸),且苯甲酸具有较高的含量[8],但苯甲酸是否是引起蚕豆连作障碍的自毒物质尚不清楚。

利用植物化感作用而采用的间作模式,是以植物为药源取代化学杀菌剂,去弊存利的植物保护措施,是解除连作障碍的有效手段[5]。云南具有丰富的生物资源优势,小麦(Triticum aestivum)与蚕豆间作一直是云南及西南地区普遍的种植模式,在农业生产中占有重要地位,具有大面积的种植,增产、增收、抗病效果显著[9]。蚕豆连作致使土传枯萎病严重发生,产量严重下降,是制约我国蚕豆生产的重要病害,尤其在云南蚕豆生产上发生危害较重。我们的前期研究表明小麦与蚕豆间作增加了蚕豆根际微生物的数量和多样性而抑制了枯萎病的发生[10-11]。但截至目前为止,有关自毒物质胁迫下,小麦与蚕豆间作对连作蚕豆自毒作用的缓解效果及机理尚未见报道。本试验在外源添加苯甲酸并接种尖孢镰刀菌的条件下,研究苯甲酸对单作蚕豆生长、枯萎病发生及蚕豆抗氧化酶和病程相关蛋白的影响,明确苯甲酸在蚕豆连作障碍形成中的作用;通过比较单作和间作蚕豆生长和枯萎病发生,根系及叶片病程相关蛋白和抗氧化酶活性的差异,明确间作对苯甲酸自毒效应的缓解效果及间作减轻苯甲酸自毒效应的生理机制。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2015年10月至12月在云南农业大学资源环境学院温室大棚内进行。

供试小麦品种为‘云麦53’,蚕豆品种为‘89-147’,购于云南省农业科学研究院。供试苯甲酸(分析纯)购于国药集团上海有限公司。供试病原菌为尖孢镰刀菌蚕豆专化型[Fusarium oxysporumf.fabae,(FOF)],由本试验室从蚕豆连作土壤中筛选并保存。在PDA平板上培养,于28℃培养箱中恒温培养7 d后刮取菌丝于无菌水中振荡均匀,经两层纱布过滤后配成孢子悬液用于接种。

1.2 试验设计

试验为双因素试验设计,A因素为苯甲酸处理,共设4个浓度,C0(0mg·L-1,为对照),C1(50mg·L-1),C2(100mg·L-1),C3(200mg·L-1)。B因素为种植模式,设蚕豆单作(MF)和小麦与蚕豆间作(IF),组合为8个处理,每个处理3次重复,共计24盆。单作每盆种植3株蚕豆,间作每盆种植3株蚕豆和9株小麦(如图1),24 h通气泵通气。

图1 蚕豆单作和小麦与蚕豆间作种植示意图Fig.1 Schematic diagrams of faba bean monocropping and intercropping with wheat

1.3 试验实施

小麦和蚕豆种子于室温下浸种24 h,25℃下催芽后同时播于Hoagland营养液浸透的无菌石英砂中培养,待蚕豆幼苗长至 4～6片真叶时,选取长势一致的蚕豆幼苗移入盛有不同浓度苯甲酸的2 L容器中,间作处理同时移栽小麦(3叶期)。苯甲酸处理2 d后,向营养液中添加1×106cfu·mL-1的尖孢镰刀菌孢子悬液。

1.4 蚕豆枯萎病调查

蚕豆移栽 45 d时进行枯萎病调查,单间作处理每个重复均调查蚕豆3株。蚕豆枯萎病调查按 5级分类标准进行[11],调查结束后计算发病率、病情指数和防治效果。

1.5 蚕豆生长、生理指标测定方法

1.5.1 生长指标测定

蚕豆移栽 45 d时(蚕豆分枝期)采样,每个重复采3株蚕豆,测量单株叶片数、最大叶长、最大叶宽、株高、主根长、植株地上部干重和根系干重,计算根冠比。

1.5.2 抗氧化酶活性和膜质过氧化测定

于蚕豆移栽45 d (蚕豆分枝期)时采样,每个重复采样3株,用叶片和根系鲜样测定过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量,测定采用李合生[12]的方法。

1.5.3 病程相关蛋白测定

蚕豆移栽 45 d时(蚕豆分枝期)采样,每个重复采样3株,用蚕豆根系鲜样测定病程相关蛋白。几丁质酶测定采用几丁质酶试剂盒(购于南京建成生物工程研究所),1个单位几丁质酶活性定义为每g组织每小时分解几丁质产生1mg N-乙酰氨基葡萄糖的量。β-1,3-葡聚糖酶活性测定采用 β-1,3-葡聚糖酶试剂盒(购于北京索莱宝科技有限公司),1个单位β-1,3-葡聚糖酶活性定义为每g组织每小时产生1mg还原糖的量。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理,采用SPSS 20.0 软件对试验数据进行方差分析,最小显著差异法(LSD) 检验各处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆幼苗生长的影响

苯甲酸处理对蚕豆幼苗生长的影响见表1。从表1可看出,蚕豆单作条件下,随苯甲酸处理浓度升高,蚕豆幼苗生长参数(叶片数、最大叶长、最大叶宽、株高、主根长、地上部干重、根干重和根冠比)均显著降低。与C0相比,C1、C2和C3浓度处理显著降低蚕豆叶片数32.3%、35.4%和41.5%;显著降低最大叶长15.6%、32.4%和44.5%;显著降低最大叶宽25.0%、31.7%和50.3%;显著降低株高18.0%、34.2%和 46.2%;显著降低地上部干重31.8%、61.0%和76.2%;显著降低根干重33.3%、64.8%和83.3%。与C0相比,C2和C3浓度处理显著降低主根长8.18%和28.4%。表明苯甲酸处理显著抑制了蚕豆的生长。

苯甲酸各浓度处理下,小麦与蚕豆间作均促进了蚕豆幼苗的生长。不添加苯甲酸(C0)情况下,间作显著增加了蚕豆叶片数、最大叶长、主根长、地上部干重和根干重10.8%、12.2%、8.2%、47.1%和59.3%;苯甲酸C1浓度处理下,间作显著增加蚕豆叶片数、地上部干重和根干重10.6%、40.8%和55.6%;C2浓度处理下,间作显著增加蚕豆最大叶长、最大叶宽、地上部干重和根干重6.1%、7.0%、31.0%和68.4%;C3处理浓度下,间作显著增加蚕豆最大叶长、地上部干重和根干重3.6%、17.0%和77.8%。表明小麦与蚕豆间作促进了蚕豆幼苗的生长,缓解了苯甲酸对蚕豆生长的抑制效应(表1)。

表1 苯甲酸胁迫下与小麦间作对蚕豆幼苗生长的影响Table1 Effect of intercropping with wheat on faba bean growth parameters under benzoic acid stress

2.2 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆枯萎病发生的影响

从表2可看出,蚕豆单作条件下,与C0处理相比,苯甲酸C1、C2和C3处理显著提高枯萎病发病率33.3%、50.0%和 50.0%,提高病情指数 25.0%、137.5%和362.4%。

苯甲酸 C1和 C2浓度处理下,与单作蚕豆相比,间作使蚕豆枯萎病发病率显著降低 25.0%和11.1%;C0和 C3浓度处理下间作对蚕豆枯萎病发病率无显著影响。C0、C1、C2和C3浓度处理下,间作降低病情指数 25.0%、20.0%、42.1%和21.6%,以C2浓度处理下间作降低病情指数的效果最好。苯甲酸不同浓度处理下,小麦与蚕豆间作对蚕豆枯萎病的防效为20.0%～42.1%,其中以C2处理条件下间作防效最高,达42.1%。

表2 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆枯萎病发病率和病情指数的影响Table 2 Effect of intercropping with wheat on occurrence and index of faba beanFusariumwilt under benzoic acid stress

2.3 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆POD和CAT活性的影响

苯甲酸处理对蚕豆根系和叶片中POD活性的影响见图2。随苯甲酸处理浓度升高,单作蚕豆根系和叶片中POD活性均呈先提高后降低的趋势。蚕豆单作条件下,与 C0相比,C1处理下蚕豆根系和叶片中POD酶活性高于 C0处理,但差异不显著;C2和 C3浓度处理下间作显著降低蚕豆根系中 POD活性15.7%和31.4%;显著降低蚕豆叶片中 POD活性21.3%和38.7%。表明,随苯甲酸处理浓度升高,蚕豆POD活性降低幅度增大。

苯甲酸C0、C1、C2和C3浓度处理下,间作显著提高蚕豆根系的POD活性12.9%、15.1%、16.9%和14.6%。苯甲酸各处理浓度下,间作均提高了蚕豆叶片中 POD的活性,其中 C2浓度下间作显著提高POD活性24.9%(图2)。表明苯甲酸C2浓度处理下间作提高蚕豆POD酶活性的增幅最大。

图2 苯甲酸胁迫下与小麦间作对蚕豆根系和叶片中POD和CAT活性的影响Fig.2 Effect of intercropping with wheat on POD and CAT activities in roots and leaves of faba bean under benzoic acid stress

苯甲酸处理对蚕豆CAT活性的影响见图2。蚕豆单作条件下,与C0相比,C1浓度处理下蚕豆根系和叶片中CAT活性低于C0处理,但无显著差异;C2和C3浓度处理显著降低蚕豆根系 CAT活性37.7%和42.8%;显著降低蚕豆叶片CAT活性28.4%和44.8%。

苯甲酸各浓度处理下,间作均提高了蚕豆根系和叶片中CAT活性。C0、C1、C2和C3浓度处理下,间作提高蚕豆根系CAT活性10.3%、22.6%、54.0%和21.7%,提高蚕豆叶片CAT活性6.6%、9.2%、11.5%和20.5%(图2)。

2.4 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆MDA含量的影响

苯甲酸和间作对蚕豆MDA含量的影响见图3。蚕豆单作条件下,与 C0相比,C1处理条件下蚕豆根系和叶片中MDA含量均低于C0处理,但差异不显著;C2和C3浓度处理显著提高蚕豆根系MDA含量28.9%和42.6%;显著提高蚕豆叶片MDA含量16.4%和45.0%。

苯甲酸各浓度处理下,间作均显著降低了蚕豆根系和叶片中MDA含量,C0、C1、C2和C3浓度处理下,间作显著降低蚕豆根系的MDA含量25.4%、22.6%、20.0%和19.5%,显著降低了蚕豆叶片MDA含量20.5%、29.9%、24.5%和26.5%。

图3 苯甲酸胁迫下与小麦间作对蚕豆根系和叶片中MDA含量的影响Fig.3 Effect of intercropping with wheat on MDA content in roots and leaves of faba bean under benzoic acid stress

2.5 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆幼苗根系病程相关蛋白的影响

苯甲酸处理对蚕豆 β-1,3葡聚糖酶和几丁质酶活性的影响见图 4。蚕豆单作条件下,与 C0处理相比,C1处理条件下蚕豆根系中β-1,3葡聚糖酶活性高于C0处理,但差异不显著;C2和C3浓度处理显著降低根系β-1,3葡聚糖酶活性17.4%和38.7%。

苯甲酸C0、C1、C2和C3浓度处理下,间作提高蚕豆根系β-1,3葡聚糖酶活性4.7%、7.9%、13.1%和10.3%,其中以C2浓度处理下间作提高β-1,3葡聚糖酶活性的效果最好(图4)。

图4 苯甲酸胁迫下与小麦间作对蚕豆根系β-1,3葡聚糖酶和几丁质酶活性的影响Fig.4 Effect of intercropping with wheat on β-1,3-glacanase and chitinase activities in roots of faba bean under benzoic acid stress

蚕豆单作条件下,与C0处理相比,C1处理条件下蚕豆根系中几丁质酶活性高于C0处理,但差异不显著;C2和C3浓度处理降低几丁质酶活性23.6%和39.4%(P<0.05),表现为随苯甲酸处理浓度增高,几丁质酶活性显著降低。苯甲酸各浓度处理下,间作提高了蚕豆根系中几丁质酶活性6.7%、7.8%、15.8%和10.5%,以C2浓度下间作提高几丁质酶活性的增幅最大。

3 讨论与结论

3.1 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆生长和枯萎病发生的影响

化感自毒现象在农业生产中广泛存在,许多作物的连作障碍与此相关,在世界农业生产中,由于化感自毒效应所造成的损失每年达数十亿美元。黄瓜(Cucumis sativus)、西瓜(Citrullus lanatus)和茄子(Solanum melongena)连作障碍的自毒作用主要是由根系分泌物中的酚酸物质引起的,主要包括芥子酸、丁香酸、香草酸(醛)、香豆酸、五倍子酸、对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、咖啡酸、阿魏酸、苯甲酸、水杨酸和肉桂酸等[13]。自毒物质肉桂酸和香草醛对茄子根系生长(根干重、根鲜鲜重、根系活力)表现为“低促高抑”的作用特点[14]。本试验结果表明,蚕豆单作条件下,苯甲酸处理抑制了蚕豆幼苗的生长,其中以生物量(地上部干重和根干重)的降低最为明显,随苯甲酸处理浓度的提高,对蚕豆生长的抑制程度更加严重。黄瓜连作障碍研究中也发现了同样的现象,即自毒物质肉桂酸处理后再接种镰刀菌能显著抑制黄瓜的生长,原因是肉桂酸作用于黄瓜根系就表现出明显的化感抑制效应,同时镰刀菌还通过破坏维管束系统进而影响黄瓜生长[15]。

对羟基苯甲酸胁迫下接种尖孢镰刀菌明显加重草莓(Fragaria ananassa)根系组织受损程度,促进草莓枯萎病发生[16]。肉桂酸是黄瓜根系分泌物中重要的化感物质,能诱导黄瓜镰刀菌枯萎病的发生[17];苯甲酸和肉桂酸处理可显著提高西瓜幼苗枯萎病的发病率[18]。本研究中苯甲酸处理显著提高单作蚕豆枯萎病发病率和病情指数,表明苯甲酸加剧了蚕豆枯萎病的发生,发病程度随苯甲酸处理浓度的提高而加重。本研究结果与甜瓜根系分泌物中的肉桂酸、阿魏酸和苯甲酸显著提高甜瓜(Cucumis melo)枯萎病病情指数的结论相同[13]。

间作作为我国传统农业的精髓,具有增产、提高养分资源利用效率的优势[19-20],采用间作减轻土传病害危害,缓解作物连作障碍已成为近年来的研究热点[21]。旱作水稻(Oryza sativa)和西瓜间作显著提高了西瓜鲜重和株高,促进了西瓜生长[22]。本研究中,苯甲酸不同浓度处理下,小麦与蚕豆间作促进了蚕豆叶片的生长,提高了蚕豆地上部干重。中药材茅苍术(Artractylodes lancea)与花生间作显著降低了花生连作土传病害的发生,缓解了花生连作障碍[23];旱作水稻与西瓜间作降低了西瓜枯萎病的病情指数[5]。本研究结果表明,苯甲酸各浓度处理下,间作对蚕豆枯萎病的相对防效为 20.0%～42.1%,以C2处理下防效最好。表明小麦与蚕豆间作能有效减轻苯甲酸对蚕豆幼苗生长的抑制效应,缓解苯甲酸对枯萎病发生的促进效应。

3.2 间作缓解苯甲酸自毒效应的生理机制

植株在正常情况下,体内活性氧产生与清除处于动态平衡状态,CAT是植物细胞中清除活性氧,保护细胞的重要酶系统,其活性可作为植物抗病性的生理生化指标[22]。植物感病后,其体内的保护酶活性与植株抗病性呈正相关[24-25]。自毒物质胁迫下,茄子和黄瓜等作物的POD和CAT等抗氧化酶活性有一定程度的降低[14,26]。肉桂酸处理并接种镰刀菌的条件下嫁接黄瓜苗根系中的CAT酶活性普遍高于自根苗,嫁接黄瓜根系具有较高的抗氧化系统[15]。本试验结果表明,苯甲酸不同浓度处理并接种镰刀菌的条件下,间作蚕豆根系和叶片的CAT酶活性均高于单作蚕豆,表明在自毒物质苯甲酸胁迫下,间作蚕豆根系和叶片能够迅速提高抗氧化系统活性(CAT),有效并及时清除体内的自由基,提高蚕豆自身的抗性,从而缓解苯甲酸对枯萎病发生的促进效应。POD是酚类物质代谢过程中的关键酶,存在于细胞壁上参与脯氨酸转化和木质素的合成,能控制病原菌的扩展。本研究中,苯甲酸处理并接种尖孢镰刀菌条件下,间作显著提高了蚕豆根系和叶片的POD酶活性,从而抑制病原菌的破坏并保护蚕豆自身的生长和代谢,表明小麦与蚕豆间作提升了蚕豆抵御枯萎病菌侵染的能力。

MDA 是直接反映膜脂过氧化程度的重要指标之一,其含量的高低反映了细胞氧化损伤的程度,MDA含量越高,细胞膜受损伤程度越大。自毒物质通过加速膜脂过氧化程度,造成营养元素泄漏,从而刺激病原菌使其更易侵入寄主,结果表现为发病率高,土传病害严重[27]。黄瓜根系分泌物中主要自毒物质肉桂酸处理黄瓜后明显增加了根系 MDA的含量,从而破坏了根系细胞的细胞膜,显著增加根系的离子渗漏而促进黄瓜枯萎病的发生[15]。本研究结果表明,苯甲酸处理并接种镰刀菌后,蚕豆幼苗根系和叶片的 MDA含量显著增高,枯萎病发病率和病情指数也显著提高,表明蚕豆连作条件下,苯甲酸通过增加蚕豆幼苗的膜质过氧化,提高营养元素的渗透,促进镰刀菌对蚕豆的侵染而加剧枯萎病发生。苯甲酸各浓度处理下间作均显著降低蚕豆根系和叶片的 MDA含量,表明间作显著降低了蚕豆幼苗根系和叶片中 MDA的积累,降低脂质过氧化伤害,膜透性下降,维持了苯甲酸作用下蚕豆幼苗细胞膜的稳定性而减少了对镰刀菌供应营养,减轻了枯萎病发生。本研究结果与接种西瓜尖孢镰刀菌5 d、10 d和15 d后西瓜根系内MDA含量呈上升趋势,但与小麦伴生的西瓜根系内 MDA含量显著低于单作西瓜的结论相同[28]。

苯甲酸胁迫条件下,蚕豆幼苗根系和叶片的 POD与 CAT活性下降,防御系统受到损害,MDA含量增加,细胞膜受损严重,降低其生理生化抗性是蚕豆幼苗枯萎病抗性降低的主要原因,而间作提高蚕豆抗氧化酶活性并降低膜脂过氧化程度,显著提升了蚕豆对枯萎病的抗性。

3.3 苯甲酸胁迫下间作对蚕豆枯萎病病程相关蛋白的影响

当寄主植物被病原菌侵染后,自身防御反应启动,病程相关蛋白表达,产生水解真菌细胞壁的重要水解酶,从而提高寄主对病原菌的抵抗能力[28]。几丁质酶是重要的水解酶,能直接降解真菌细胞壁的主要成分——几丁质,从而使菌丝停止生长,粗缩畸形,甚至完全解体消化,从而抵抗病原物侵染;β-1,3-葡聚糖酶是一类重要的病程相关蛋白,其在植物抗真菌病害的防卫反应中起着重要的作用[28]。添加阿魏酸并同时接种尖孢镰刀菌,西瓜根系和叶片的几丁质酶活性受到抑制,西瓜叶片β-1,3-葡聚糖酶活性下降，从而促进了西瓜枯萎病的发生[29]。本研究中,接种尖孢镰刀菌的情况下,苯甲酸C1处理提高了蚕豆根系的β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性,此时蚕豆根系防御系统开启保护功能;当苯甲酸处理超过C1浓度时,β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性显著低于对照,此时蚕豆自身保护系统功能逐渐下降,不能抵抗病原菌侵染而加剧枯萎病发生。表明苯甲酸和枯萎病菌共同胁迫加剧了蚕豆植物自身防御系统破坏程度,导致枯萎病严重发生。

伴生小麦通过提高西瓜根系 β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性而提高了西瓜对枯萎病的抗性[28]。西瓜与水稻间作显著提高了西瓜根系几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性,从而提高了西瓜抗枯萎病的能力[29]。本研究表明,添加苯甲酸并接种镰刀菌情况下,小麦与蚕豆间作提高了蚕豆根系几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性,且间作提高蚕豆根系几丁质酶和 β-1,3-葡聚糖酶的效果随苯甲酸处理浓度升高而增加,表明苯甲酸高浓度累积环境下间作仍能显著提高蚕豆病程相关蛋白表达,从而提高蚕豆的抗病性。

本研究结果表明,自毒物质苯甲酸一方面抑制蚕豆幼苗的生长,且通过降低蚕豆抗氧化酶和防御酶活性而降低蚕豆抗性,促进枯萎病发生;苯甲酸和镰刀菌的辅助和协同作用是形成蚕豆连作障碍的重要机制。小麦与蚕豆间作,缓解了苯甲酸对蚕豆幼苗生长的抑制效应,提高了蚕豆的防御酶活性,降低了细胞膜受损程度,从生理上提高了蚕豆对枯萎病的抗病能力,缓解了苯甲酸对蚕豆的自毒效应,证实了合理间作是缓解作物连作障碍的有效措施。

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Alleviation mechanism of intercropping with wheat for faba bean autotoxicity under benzoic acid stress*

CHEN Ling1,DONG Kun2,YANG Zhixian3,DONG Yan1**,TANG Li1,ZHENG Yi1,4
(1.College of Resources and Environment,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China;2.College of Food Science and Technology,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China;3.Yunnan University,Kunming 650091,China;4.Southwest Forestry University,Kunming 650224,China)

Continuous cropping of faba bean causes serious growth obstacle,and benzoic acid is one of the main autotoxins in faba bean continuous cropping.Faba bean-wheat intercropping is a general planting pattern in Southwest China.To investigate the effect of benzoic acid on faba bean seedling growth andFusariumwilt occurrence,and to explore the effect and alleviationmechanism of intercropping with wheat on faba bean autotoxicity,a hydroponic experiment of faba bean-wheat intercropping with benzoic acid application was conducted in the greenhouse of Yunnan Agricultural University.Four benzoic acid rates were set,which were C0(0mg·L-1),C1(50mg·L-1),C2(100mg·L-1) and C3(200mg·L-1),with two planting patterns,faba bean monocropping and faba bean and wheat intercropping.The growth,enzymes activities and occurrence of faba beanFusariumwilt were investigated.The results showed that in comparison with C0treatment,seedling growth was inhibited with increasing benzoic acid concentration.Benzoic acid increased the incidence and disease index of monocropped faba beanFusariumwilt,significantly increased root and leaf MDA contents,and decreased the activities of antioxidant enzyme (POD and CAT) and pathogenesis-related proteins (β-1,3-glacanase and chitinase) with increasing application rates.Comparison with monocropped faba bean,intercropped faba bean increased shoot dry weight by17.0%-47.1%,reduced disease incidence and disease index by11.1%-25.0% and 20.0%-42.1%,respectively,under benzoic acid application.Furthermore,the peroxidase (POD) activity increased by12.9%-16.9% in root and by 9.3%-24.9% in leaf;and the catalase (CAT) activity increased by10.3%-54.0% in root and by 6.6%-20.5% in leaf under intercropped condition.Compared with monocropping of faba bean,intercropping with wheat increased faba bean β-1,3-glacanase and chitinase activities in root by 4.7%-13.1% and 6.7%-15.8%,while decreased malondialdehyde (MDA) contents in both root and leaf significantly by19.5%-25.4% and 20.5%-29.9%,respectively,with benzoic acid application.Under C2(100mg·L-1) treatment of benzoic acid stress,faba bean-wheat intercropping system showed the best effect of improving pathogenesis-related proteins and antioxidative enzymes activity.Intercropping of faba bean-wheat significantly increased physiological resistance toFusarium oxysporumf.fabaeand significantly decreased the incidence ofFusariumwilt.Therefore,it alleviated the damage ofFusariumwilt caused by benzoic acid,and promoted growth of faba bean.Thus,intercropping with wheat was an effective method to alleviate faba bean autotoxicity caused by benzoic acid.The results also provided an experimental evidence for developing an ecologicaleconomic and effective approach to control soil-borne diseases caused by continuous crop cultivation.

Benzoic acid;Faba bean;Continuous cropping obstacle;Intercropping;Antioxidative enzyme;Pathogenesisrelated protein;Fusariumwilt

S154.36

:A

:1671-3990(2017)01-0095-09

10.13930/j.cnki.cjea.160541

陈玲,董坤,杨智仙,董艳,汤利,郑毅.苯甲酸胁迫下间作对蚕豆自毒效应的缓解机制[J].中国生态农业学报,2017,25(1):95-103

Chen L,Dong K,Yang Z X,Dong Y,Tang L,Zheng Y.Alleviation mechanism of intercropping with wheat for faba bean autotoxicity under benzoic acid stress[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(1):95-103

* 国家自然科学基金项目(31360507,31560586,31460551,31210103906)和云南省科技计划重点项目(2015FA022)资助

** 通讯作者:董艳,主要研究方向为多样性种植系统根际微生态与病害控制。E-mail:dongyanyx@163.com

陈玲,主要研究方向为多样性种植系统根际微生态与病害控制。E-mail:379263512@qq.com

2016-06-15接受日期:2016-09-06

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31360507,31560586,31460551,31210103906) and the Key Science and Technology Project of Yunnan Province of China (2015FA022).

** Corresponding author,E-mail:dongyanyx@163.com

Received Jun.15,2016;accepted Sep.6,2016