枯萎病菌侵染后间作小麦对西瓜生理指标的影响

吕慧芳 别之龙

摘    要：為了探讨间作小麦提高西瓜枯萎病抗性的生理机制，采用西瓜品种‘早佳（8424）和小麦品种‘鄂麦18为试验材料，设置西瓜单作（M）、西瓜单作+FON（MF）、西瓜与小麦间作（I）、西瓜与小麦间作+FON（IF）共4个处理，研究间作小麦和接种西瓜专化型尖孢镰刀菌对西瓜生理生化指标的影响。结果表明，接种FON 15 d时，间作小麦与单作相比，西瓜叶片净光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度分别升高6.98%、15.52%和36.88%，西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶活性分别升高14.09%和11.85%，根系类黄酮和总酚含量分别增加13.03%和21.31%，根系MDA和H2O2含量分别降低5.49%和11.56%，均达到显著差异水平;接种FON 25 d时，小麦间作与单作相比，西瓜叶片净光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度分别升高5.40%、9.92%和30.23%，西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶增加81.11%，根系类黄酮和总酚含量分别提高51.89%和15.03%，根系MDA和H2O2含量分别降低6.69%和12.43%，均差异显著。总之，接种FON后，与单作西瓜相比，小麦间作提高了西瓜叶片光合能力，增加根系次生代谢产物的积累，降低了膜脂过氧化程度的伤害，有助于增强西瓜植株的抗病性。

关键词：西瓜; 小麦; 间作; 西瓜专化型尖孢镰刀菌; 生理指标

Abstract：To explore the physiological mechanism of wheat intercropping improves the resistance of watermelon to Fusarium wilt，watermelon variety‘Zaojia（8424）and wheat variety‘Emai 18as test materials were conducted to investigate the effects of wheat intercropping and inoculation Fusarium oxysporum f. sp. niveum（FON）on physiological and biochemical parameters in watermelon in four different treatments （watermelon monocropping（M）， watermelon monocropping with FON inoculation （MF），watermelon/wheat intercropping （I）， and watermelon/wheat intercropping with FON inoculation（IF））.The results showed that photosynthetic rate，intercellular CO2 concentration and stomatal conductance of watermelon leaf in intercropping with wheat were significantly higher than those of monoculture watermelon on the 15th day after inoculation with FON by 6.98%，15.52% and 36.88%，respectively. The activities of β-1，3-glucanase and chitinase in watermelon roots in intercropping with wheat were significantly higher than those of monoculture watermelon on the 15th day after inoculation with FON by 14.09% and 11.85%，respectively. The flavonoid and total phenolic contents of watermelon root in intercropping with wheat were also significantly higher than those in monoculture watermelon on the 15th day after inoculation with FON by 13.03% and 21.31%，respectively. The MDA and H2O2 contents of watermelon root in intercropping with wheat were significantly lower than those in monoculture watermelon on the 15th day after inoculation with FON by 5.49% and 11.56%，respectively. Similar results were obtained on the 25th day after inoculation with FON for photosynthetic rate，intercellular CO2 concentration and stomatal conductance of watermelon leaf，β-1，3-glucanase activity and flavonoid and total phenolic contents of watermelon root in intercropping with wheat，all of which were significantly higher than those in monoculture watermelon by 5.40%，9.92%，30.23%，81.11%，51.89% and 15.03%，respectively. The MDA and H2O2 contents of watermelon root in intercropping with wheat were significantly lower than those in monoculture watermelon on the 25th day after inoculation with FON by 6.69% and 12.43%，respectively.In conclusion， compared with watermelon monoculture，the capacity of photosynthetic of watermelon leaf and secondary metabolites in watermelon root were increased，the damage of membrane lipid peroxidation was reduced in intercropping with wheat system after inoculation with FON. The wheat intercropped with watermelon was beneficial for increasing disease resistance of watermelon plant.

Key words： Watermelon;Wheat;Intercropping;Fusarium oxysporum f. sp. niveum; Physiological parameter

收稿日期：2019-04-16;修回日期：2019-05-06

作者简介：吕慧芳，女，在读博士研究生，研究方向为蔬菜生理生态。E-mail：lhfang502@sina.com

通信作者：别之龙，男，教授，研究方向为蔬菜逆境生理与分子生物学。E-mail：biezl@mail.hzau.edu.cn

西瓜枯萎病严重影响西瓜的产量和品质，给西瓜产业造成重大损失。采用与其他作物合理间作种植，是克服西瓜枯萎病最经济有效的途径[1]。研究发现，在小麦与西瓜间作体系中，小麦根系分泌物对西瓜专化型尖孢镰刀菌的生长表现出抑制作用，同时，降低西瓜枯萎病的发病率[2]。小麦具有很强的化感作用，是良好的间作作物[3]。小麦伴生通过抑制西瓜专化型尖孢镰刀菌的生长以及诱导西瓜植株的生理变化，从而保护西瓜植株免受伤害[4-5]。

间作提高植物抗病性，与植物体内的多种生理生化变化过程有关。光合作用是植物重要的生命活动，对环境胁迫很敏感，如病原菌侵染植物后，光合作用被削弱，对枯萎病的抗性降低[6]。有研究表明，植物和病原菌之间的抗病和互作关系中，β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶、类黄酮和总酚等植物体内较重要的病程相关蛋白和次生代谢物质与植物抗病性密切相关[7-9]。作为膜脂过氧化的最终产物之一，丙二醛（MDA）含量的高低与膜脂过氧化程度密切相关[10]。目前，有关西瓜植株的生理生化变化与枯萎病抗性方面的研究相对较少。笔者通过盆栽基质并人工接种西瓜专化型尖孢镰刀菌，模拟西瓜连作土壤，分析比较接种和未接种枯萎病菌下小麦间作对西瓜植株生理特性的影响，明确西瓜提高抗枯萎病的原因，为进一步揭示小麦间作提高西瓜枯萎病抗性的生理生化机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2015年3—8月在华中农业大学进行。试验选用新疆农业科学院哈密瓜研究中心提供的西瓜品种‘早佳（8424）及湖北省农业科学院粮食作物研究所提供的小麦品种‘鄂麦18。供试菌株：西瓜专化型尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum f. sp. niveum）。取样时间：西瓜植株在接种尖孢镰刀菌后的15、25 d取样。

1.2 试验设计与方法

参照张宁等[11]的方法设置4个处理：（1）西瓜单作（每盆种植西瓜苗1株，简称M）;（2）西瓜单作+FON （每盆种植西瓜苗1株，并接种FON，简称MF）;（3）西瓜与小麦间作（每盆种植西瓜苗 1 株和 40 株小麦苗，2种作物的距离保持10 cm，简称I）;（4）西瓜与小麦间作+FON（每盆种植西瓜苗1株和40株小麦苗，并接种 FON，简称IF）。每个处理共 90 盆，3次重复。2015年5月1日，西瓜幼苗4片真叶时，将西瓜苗移栽到塑料盆中（盆直径34 cm，高24 cm），每盆装8 L栽培基质。同时，小麦催芽种子直接播种于盆钵中。西瓜苗移栽7 d后，在西瓜根基部用灌根法接种尖孢鐮刀菌孢子悬浮液（2.0 × 106 CFU·mL?1），每盆100 mL。每天用霍格兰营养液浇灌1～2次西瓜植株。西瓜植株在接种尖孢镰刀菌后15、25 d采集西瓜根系样品，每个处理取5株，迅速冷冻在液氮中并-80 °C冰箱保存待用。

西瓜植株在接种尖孢镰刀菌后15 d、25 d（晴天），上午9：00—11：30，采用型号为LI-6400便携式植物光合作用测定仪（Li-Cor Inc.， LINcoln， USA）测定第12、第16片功能叶的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。参照Schraudner等[12]和Fink等[13]方法进行几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶活性测定（以FW计）;类黄酮含量测定参考Tekelova等[14]方法并改进（以DW计）;总酚含量测定参考Arnaldos 等[15]和Ruiz等[16]方法（以DW计）。H2O2含量测定按照牛梦亮[17]方法进行。MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法[18]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行原始数据处理，采用IBM SPSS 19软件进行差异显著性水平分析。

2 结果与分析

2.1 间作小麦对西瓜叶片光合参数的影响

由表1可以看出，不同处理对西瓜叶片光合参数的影响存在明显的差异。接种FON 15 d，小麦间作处理的西瓜叶片光合速率、胞间 CO2浓度和气孔导度分别较西瓜单作增加6.98%、15.52%和36.88%，均达到显著差异水平。接种FON 25 d，与西瓜单作相比，小麦间作栽培下西瓜叶片光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度分别提高5.40%、9.92%和30.23%，且差异显著。未接种FON 15 d，小麦间作栽培下西瓜叶片光合速率和胞间CO2浓度显著高于西瓜单作。未接种FON 25 d，小麦间作处理的西瓜叶片胞间CO2浓度和气孔导度显著高于西瓜单作。接种FON 15 d、25 d后，西瓜叶片蒸腾速率显著降低;与西瓜单作相比，小麦间作对西瓜叶片蒸腾速率没有显著影响。这说明小麦—西瓜间作栽培模式，有利于改善西瓜叶片光和特性，延长其光合功能期。

2.2 间作小麦对西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶活性的影响

接种FON后，小麦间作处理的西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶活性均增加（图1）。接种FON 15 d，小麦间作处理的西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶活性分别比西瓜单作增加14.09%和11.85%，均达到显著差异水平。接种FON 25 d，小麦间作处理的西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶比西瓜单作增加81.11%，且差异显著;而小麦间作处理的西瓜根系几丁质酶活性与西瓜单作无显著差异。未接种FON时，小麦间作处理的西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶活性均显著高于西瓜单作。

2.3 间作小麦对西瓜根系类黄酮和总酚含量的影响

接种FON后，西瓜根系类黄酮和总酚含量（以干质量计）的变化如图2所示。接种FON 15 d，与西瓜单作相比，小麦间作处理的西瓜根系类黄酮和总酚含量分别提高13.03%和21.31%。接种FON 25 d，小麦间作处理的西瓜根系类黄酮和总酚含量分别比西瓜单作提高51.89%和15.03%。未接种FON时，小麦间作处理的西瓜根系类黄酮含量与西瓜单作无显著差异，而总酚含量显著高于西瓜单作。

2.4 间作小麦对西瓜根系丙二醛和过氧化氢含量的影响

图3表明，西瓜无论单作还是间作，接种FON后，西瓜根系丙二醛和过氧化氢含量均显著增加。接种FON 15 d，小麦间作处理的西瓜根系MDA和H2O2含量分别比西瓜单作降低5.49%和11.56%，差异均达到显著水平。接种FON 25 d，与西瓜单作相比，小麦间作处理的西瓜根系MDA和H2O2含量分别降低6.69%和12.43%，且差异显著。未接种FON 15 d，小麦间作处理的西瓜根系MDA和H2O2含量显著低于西瓜单作。未接种FON 25 d，小麦间作处理的西瓜根系MDA含量与西瓜单作相比，差异不显著，而H2O2含量显著低于单作。

3 讨论与结论

光合作用是植物生长发育和产量形成的基础。合理的间作能高效利用光、热、肥、水等自然資源，提高功能叶片的光合特性，提高作物产量[19]。研究发现，在尖孢镰刀菌孢子悬浮液灌根西瓜后，抗感品种的叶片光合速率、蒸腾速率和气孔导度表现出不同程度的下降[6]。在本试验中，未接种FON，小麦间作显著提高了西瓜叶片胞间CO2浓度。接种FON后，小麦-西瓜间作体系中，西瓜叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度显著高于西瓜单作，说明小麦间作提高了植株的光合特性和抗逆性[3，6]。

植物受到生物胁迫后，体内生理生化指标会做适合的调节反应，包括酚类物质、防御酶活性、PR-蛋白的产生等[20-22]。β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶等病程相关蛋白（PRs），在植物抗病防御反应中起着重要的作用，这2种酶活性与植物对病原菌的抗性十分相关[23-24]。本研究结果表明，不论接种FON还是未接种FON，小麦间作体系中，西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶活性显著高于西瓜单作，有利于西瓜抗枯萎病能力的提高[4]。

总酚和类黄酮是植物体内重要的次生代谢物质，与植物的抗病性密切相关。类黄酮和酚类物质可清除植物体内活性氧等自由基[25]，因此通常在发病的组织或植株中能发现类黄酮和总酚含量的增加[5，8]。本研究结果与以上结果一致，未接种FON时，小麦间作显著提高了西瓜根系总酚含量，这说明正常生长条件下，小麦间作体系西瓜植株体内次生代谢产物积累较多，具有一定的抗病物质基础。接种FON后，小麦间作显著提高了西瓜根系类黄酮和总酚含量，说明小麦-西瓜间作通过次生代谢产物大量的积累提高了西瓜抵制病原菌侵染的能力，增强了西瓜的抗病力[24]。

MDA作为膜脂过氧化的最终产物之一，与植物的抗病性关系密切[4]。植物遭受胁迫后，产生并积累大量的H2O2，启动膜脂过氧化，导致植物膜系统损伤[26]。黄瓜植株接种FON导致MDA和H2O2含量的上升[27]。本研究表明，接种FON后，西瓜根系内MDA和H2O2的含量显著增加，但是小麦间作显著降低了西瓜根系MDA和H2O2含量。说明小麦间作缓解了西瓜根系MDA和H2O2含量升高，降低膜脂过氧化程度的发生。

接种FON后，小麦-西瓜间作提高了西瓜叶片光合能力，提高了西瓜根系几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶活性，提高了根系总酚和类黄酮含量，降低了根系MDA和H2O2含量，说明小麦间作通过提高西瓜植株的生理抗性，有利于增强西瓜抗枯萎病的能力。

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