烤烟根结线虫病发生与土壤酶活性的相关性研究

王启宇，吕怡颖，杨 敏，方 宇，柯艳果，赵建荣，余 磊，黄飞燕

（1.昆明学院农学与生命科学学院，云南省都市特色农业工程技术研究中心，云南 昆明 650214；2.云南农业大学植物保护学院，云南 昆明 650201）

根结线虫（Meloidogynespp.）又称根瘤线虫，广泛分布于植物根际土壤和根系周围，是引起根结线虫病、限制作物生产的主要病原微生物[1]。根结线虫可于烟草生长的不同时期侵染根系，在烟株根部形成根结，造成根系畸形、萎缩，从而抑制营养物质吸收和传输，导致烟株萎焉、黄化，严重时可致整株死亡[2]。随着烤烟复种指数的增加以及重茬现象的日益严重，烟草根结线虫病在我国多个植烟区呈扩散、蔓延之势[3]，仅云南省每年发病面积就达 20 000～30 000 hm2，造成烟叶减产 30%～50%，是限制烟草产业可持续发展的主要因素[2]。玉溪、昆明烟区具备得天独厚的光、温、雨、热等自然条件，是高品质烟叶的重要产区，同时也是烟草根结线虫病易发区及重发区[4-5]。

土壤酶是土壤生态系统的催化剂，是土壤生态功能的重要组成部分[6]，在土壤有机物质矿化分解，矿质营养元素循环迁移，能量转化，环境质量评价等方面均起到重要作用[7]。因此，土壤酶作为土壤组成中最活跃的有机成分，与土壤微生物息息相关，是观察微生物群落活动的重要参考[8]，亦是反映土壤环境、有机质含量和其他土壤特性的敏感指标[9]。土壤酶活性变化不仅反应土壤微生物群落结构的改变，更对预防预判根结线虫病发生，提高病情检测精准度具有重要意义。现有研究表明，土壤多酚氧化酶及蔗糖酶与黄瓜根结线虫病发生具有相关关系，其相关系数分别为-0.829 和0.661[10]；左梅等[11]研究发现，土壤脲酶及过氧化氢酶活性与根结线虫发病等级呈现极显著负相关。该研究通过测定健康及根结线虫感病烟株根际土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、酸性蛋白酶、纤维素酶及酸性磷酸酶活性，了解根结线虫病与土壤酶活性间的相关关系及变化规律，为综合防治根结线虫提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验样品于2018 年6 月在云南省玉溪市红塔区高仓街道（103°32′E，24°30′N）和云南省昆明市宜良县九乡乡（103°20′31′′ E，25°1′43′′ N）进行采集。

玉溪市红塔区年均降雨量为779.5～989.7 mm，年平均气温15.6～23.8℃，年无霜期 244～365 d，年平均日照2 115～2 285 h。试验地海拔高度为1 760 m，土壤类型为红壤土，灌溉方式为穴灌，前茬作物为小麦，土地相对平坦，排水良好。

昆明市宜良县年均降雨量为 526.9～898.9 mm，年平均气温16.3～21.7℃，年无霜期260 d 左右，年平均日照2 032 h 左右。试验地海拔高度为1 560 m，土壤类型为红壤土。

1.2 试验设计

选取烤烟根结线虫病发病典型且严重的烟田，根际土壤样品分别命名为九乡发病土（JX-P）、高仓发病土（GC-P）、九乡健康土（JX-H）和高仓健康土（GC-H）。在同一植烟地中选取未患根结线虫病、生长完全正常的烟株和具烤烟根结线虫病典型症状的烟株各 3 株，去除表层土后将烟株整株拔起，抖落较松散的土壤，然后收集附着在根上0～4 mm 间的土壤作为根际土（优先采集健康烟株根际土样），去除土样中的杂物、细根后放入自封袋中（各烟株根际土样单独保存），采集的土样分2 份，一份自然风干保存，另外一份于－80℃ 冰箱中保存，待测。

1.3 考察指标及方法

土壤纤维素酶、酸性蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均采用苏州科铭生物技术有限公司生产的相应试剂盒进行检测。

1.4 数据处理

试验数据和图表分别由SPSS 22.0 和Origin 2018处理并制作。

2 结果与分析

2.1 根结线虫对烤烟根际土壤酸性磷酸酶活性的影响

由图1 可知，2 个试验区烤烟根际土壤样品中酸性磷酸酶活性均因根结线虫浸染而显著提高。九乡及高仓试验区根结线虫感病烟株根际土壤酸性磷酸酶活性较健康烟株根际土壤分别提高474.82% 和294.86%，呈显著性差异（P＜0.05）。此外，九乡试验区感病烟株根际土壤酸性磷酸酶活性是高仓试验区的2.27 倍，差异达显著水平（P＜0.05）。

图1 健康和根结线虫感病烟株根际土壤酸性磷酸酶活性变化及差异性

2.2 根结线虫对烤烟根际土壤过氧化氢酶活性的影响

由图2 所示，九乡和高仓试验区烤烟根际土壤过氧化氢酶活性均表现为发病土＜健康土。九乡试验区根结线虫感病烟株根际土过氧化氢酶活性较健康土降低了56.02%，高仓试验区根结线虫病土过氧化氢酶活性较健康土降低55.93%，2 个试验区土壤过氧化氢酶活性变化均达显著性差异水平（P＜0.05）。高仓试验区健康烟株根际土壤过氧化氢酶活性是九乡试验区的1.96 倍，二者存在显著性差异（P＜0.05）。

图2 健康和根结线虫感病烟株根际土壤过氧化氢酶活性变化及差异性

2.3 根结线虫对烤烟根际土壤脲酶活性的影响

由图3 所示，九乡和高仓试验区烤烟根际土壤脲酶活性均因根结线虫侵染而出现下降趋势。九乡试验区根结线虫感病烟株根际土壤脲酶活性较健康土降低了16.58%，高仓试验区根结线虫病土脲酶活性较健康土降低了5.50%，但变化均未达到显著性水平。高仓试验区根结线虫病土及健康土脲酶活性分别是九乡试验区的1.61 倍和1.42 倍，存在显著性差异（P＜0.05）。

图3 健康和根结线虫感病烟株根际土壤脲酶活性变化及差异性

2.4 根结线虫对烤烟根际土壤纤维素酶活性的影响

如图4 所示，九乡及高仓试验区烤烟根际土壤纤维素酶活性均表现为健康土＞发病土。九乡试验区根结线虫感病烟株根际土纤维素酶活性较健康土下降24.15%；高仓试验区根结线虫病土纤维素酶活性较健康土下降19.85%，且二者差异均达显著性水平（P＜0.05）。

图4 健康和根结线虫感病烟株根际土壤纤维素酶活性变化及差异性

2.5 根结线虫对烤烟根际土壤酸性蛋白酶活性的影响

如图5 所示，九乡及高仓试验区烤烟根际土壤酸性蛋白酶活性均因根结线虫侵染而下降。九乡试验区根结线虫感病烟株根际土壤酸性蛋白酶活性较健康土降低36.51%，差异不显著（P＞0.05）；高仓试验区根结线虫病土酸性蛋白酶活性较健康土降低76.02%，差异显著（P＜0.05）。

图5 健康和根结线虫感病烟株根际土壤酸性蛋白酶活性变化及差异性

2.6 根结线虫对烤烟根际土壤蔗糖酶活性的影响

如图6 所示，九乡及高仓试验区烤烟根际土壤蔗糖酶活性均表现为发病土＜健康土。九乡试验区根结线虫感病烟株根际土壤蔗糖酶活性较健康土下降50.19%；高仓试验区根结线虫病土蔗糖酶活性较健康土下降30.62%；二者差异均达显著性水平（P＜0.05）。高仓试验区根结线虫感病烟株及健康烟株根际土壤蔗糖酶活性分别是九乡试验区的1.60 和1.15 倍，并存在显著性差异（P＜0.05）。

图6 健康和根结线虫感病烟株根际土壤蔗糖酶活性变化及差异性

3 结论与讨论

土壤酶是土壤生态系统的重要组成部分，在维持有机物代谢平衡，保证元素循环等方面发挥重要作用[12-13]。土壤酶活性既包括已积累于土壤中的酶活性，也包含正在增殖的微生物向土壤中释放的酶活性[10]。因此，植株根系分泌及微生物释放是土壤酶的2 大重要来源。根不仅是植物从土壤中摄取养分和水分的吸收器官，也是向周围介质释放多种化合物的分泌器官[14]，而这些由植株根系自然分泌或根细胞溶解释放的各种化合物则被统称为根系分泌物[15]。自外国学者Knudson[16]率先在根分泌物中发现转化酶后，研究人员又相继在根系分泌物中发现了磷酸酶、淀粉酶、蛋白酶、DNA 酶、RNA 酶等[10]。

根系是微生物生存的特殊环境，根际酶活性也与根际微生物种群数量、繁殖速率和生命活动过程息息相关，尤其当微生物受环境因素刺激时便不断向周围分泌酶，引起根际酶活性的显著变化[17]。酸性磷酸酶是一种重要的水解酶，在促进土壤和植株体内有机磷分解中起到重要作用，酸性磷酸酶活性是反应土壤有效磷含量的重要指标[18]。有报道称，酸性磷酸酶活性主要来源于土壤微生物和植物的根系分泌[18]，该研究中酸性磷酸酶活性同根结线虫发病呈显著性正相关，这可能是因为根结线虫种群数量增加导致土壤微生态失衡，有效磷被大量富集，土壤磷营养剩余难以满足植株生长需求，迫使植株提高根系酸性磷酸酶基因表达，增加土壤酸性磷酸酶活性，从而提高土壤有机磷水解转化率，调控土壤无机磷水平[18]。土壤过氧化氢酶作为重要的氧化还原酶，可将土壤代谢产生的废物快速转化为低毒无害物质，并增加土壤氧含量[19-20]。该研究中烤烟根际土壤过氧化氢酶活性与根结线虫呈显著负相关，可能是因为烤烟根系受根结线虫侵染后，其自身抗氧化系统受损，使植株体内过氧化氢酶释放水平下降所致，但对于根结线虫侵染导致植株相关酶分泌能力下降的作用机理还需要进一步研究论证。

该研究中烤烟根际土壤蔗糖酶、纤维素酶及脲酶活性与根结线虫发病呈负相关关系，除脲酶外，其余酶活性变化均达显著性水平。该结论与王宏宝等[10]、左梅等[11]的研究保持一致，分析原因可能是根结线虫感病烟株根际土壤微生态失衡，导致根际酶活性急剧变化，不利于烟株对土壤营养物质的转化和吸收，阻碍烟株正常生长发育，使其抗病性降低，并最终导致根结线虫侵染加剧。另一原因可能是根际土壤酶活性越低，土壤微生物丰富度和多样性也较低，导致土壤微生物活性下降，使其在与根结线虫竞争土壤营养物质的过程中处于劣势，进而加剧了根结线虫的繁殖速度和侵染活力。

酸性蛋白酶是土壤中主要的酶类之一，对标定土壤肥力具有重要意义。高仓试验区烤烟根际土壤酸性蛋白酶活性因根结线虫侵染而显著降低，而九乡试验区该酶活性变化不显著，且土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、酸性蛋白酶、纤维素酶和过氧化氢酶含量及活性的变化幅度因试验区不同而存在显著差异（P＜0.05），分析原因可能是植物在面临不同的自然条件和生长环境时，会调动体内相关酶基因表达水平，控制根系分泌物组分和含量，以此适应现有生态位，保证植株正常生长，造成不同地域土壤酶含量和活性存在显著性差异。因此，不同田间管理措施对根结线虫发病率及土壤酶活性等指标的影响也值得未来进一步研究。