外源茉莉酸甲酯对连作草莓土壤酶活性和酚酸类物质含量的影响

范志伟， 张奇瑞， 刘小林， 徐胜光， 洪永忠， 耿智德

(1.昆明学院农学与生命科学学院，云南昆明 650214； 2.云南省高校生物炭工程研究中心，云南昆明 650214；3.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西宜春 336000； 4.云南省农业科学院粮食作物研究所，云南昆明 650200)

草莓(×Duch.)是蔷薇科(Rosaceae)草莓属(L.)植物的统称，属多年生草本植物，是世界上栽培种植面积最广的水果之一，具有极高的营养、药用价值以及抗衰老功能，深得消费者喜爱。但是，由于草莓是多年生草本植物，常年连作生产容易出现大面积品质、产量下降和病虫害增多等连作障碍现象，严重时会导致草莓减产30%～80%，甚至造成绝收。

酚酸类自毒物质被认为是诱导作物连作障碍的主因，其作为植株生长过程中向环境释放的化感物质，会在连作作物根际土壤中大量堆积，导致土壤酸化，进而对土壤微生物多样性及群落结构造成不利影响，使得作物抗病性下降，最终影响作物产量及品质。已有的草莓连作障碍相关研究也表明，草莓根系分泌物所含有的对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸等酚酸分泌物会明显抑制根质量，并与其他病原菌共同危害草莓，加重草莓连作障碍，最终导致草莓减产甚至绝收。

近年来，有研究报道，施用外源茉莉酸甲酯(MeJA)具有消减草莓连作障碍的效果，且认为其机制在于外源MeJA可以提高草莓植株相关酶活性和诱导相关抗性基因表达，从而增强植株的防御和抗病能力，降低草莓连作时的发病率。但是，在MeJA消减作物连作障碍机制方面，前人仅关注了外源MeJA对草莓植株相关酶活性和相关抗性基因表达的影响，却尚未关注外源MeJA对土壤酚酸类自毒物质这一与作物连作障碍发生密切相关物质的影响。

因此，本研究以草莓三年连作土壤和红颜草莓为材料，通过观测草莓根际土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量，土壤酚酸类化感自毒物质含量和土壤酶活性，以及草莓单株果数和单果质量等指标，探究不同MeJA处理对连作草莓根际土壤养分、酶活性和酚酸化感毒物含量的影响，为揭示MeJA消减作物连作障碍的特征与机制提供试验依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年9—12月在云南省昆明市呈贡区瑞雨农草莓基地(102°83′E，24°85′N，海拔 1 913.8 m)进行，试验地年均气温14.7 ℃，年蒸发量2 384 mm，年日照时数2 200 h，无霜期285 d，常年平均降水量为960 mm，主要集中在6—10月。试验地土壤为红壤，耕作层的碱解氮含量为 515.88 mg/kg，有机质含量为3.23%，有效磷含量为71.88 mg/kg，有效钾含量为623.57 mg/kg，pH值为6.67。

1.2 试验材料

供试草莓品种为红颜草莓，供试的95%茉莉酸甲酯购自美国Sigma公司。MeJA溶液的配制方法：以少量二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)溶解MeJA后，用含体积分数为0.2%Tween 80的蒸馏水配成1.0 mmol/L的母液，再用蒸馏水将其稀释成设定浓度。

1.3 试验设计

试验设MeJA溶液0 μmol/L(CK)、10 μmol/L(T1)、50 μmol/L(T2)、100 μmol/L(T3)、200 μmol/L(T4)、500 μmol/L(T5) 6个处理，3次重复，随机区组布局。各处理株行距为18 cm×25 cm。

1.4 种植管理

2021年9月10日，选取出苗15 d且株高在6～8 cm的红颜草莓匍匐茎，将其用MeJA蘸根处理 10 min 后移栽至大田，CK组使用相同浓度的二甲基亚砜和乳化剂Tween 80蘸根处理。之后，每隔 5 d 按50 mL/株用量喷洒对应浓度MeJA溶液至草莓叶面，共计喷洒6次，其余种植管理同当地生产实践一致。

1.5 观测指标及方法

在幼苗期(移栽后30 d)和开花结果期(移栽后60 d)，用抖根法采集每个处理的5株草莓植株的根际土壤。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法，土壤碱解氮含量测定采用扩散法，土壤有效磷含量测定采用NaHCO浸提-钼锑抗比色法，土壤有效钾含量测定采用乙酸铵浸提-原子吸收火焰光度计法，土壤pH值采用电极电位法测定(1 ∶2.5 土水比例浸提液)，土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性测定采用底物诱导法，蛋白酶活性测定采用福林法，脲酶活性测定采用比色法。土壤酚酸类物质含量测定参照吴丹等的试验方法。

开花结果期时，测量各处理的株高、单株果数和单果质量。用测量尺测量草莓根茎部到最长叶片的垂直高度来计算株高，草莓植株成熟果实全部摘除时记录并计算草莓单果质量以及单株果数。

1.6 数据分析方法

采用SPSS 26.0对数据进行统计分析，Duncan’s新复极差法进行差异显著性分析，显著性水平均为=0.05，使用Origin 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 外源MeJA对连作草莓根际土壤养分的影响

从图1可以看出，无论是在幼苗期还是开花结果期，相对不施加MeJA的CK处理，MeJA处理的草莓根际土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量在总体上呈现降低趋势，且多数达到显著程度。在幼苗期，各处理有机质含量排序为CK>T5>T4>T1>T2>T3，MeJA处理较CK显著降低10.40%～33.69%(<0.05)；各处理碱解氮含量排序为 CK>T1>T2>T5>T4>T3，MeJA处理较CK显著降低12.68%～35.00%(<0.05)；各处理有效磷含量排序为CK>T1>T5>T4>T2>T3，除T1、T5与CK无显著差异外，其余MeJA处理较CK显著降低7.70%～45.07%(<0.05)；各处理有效钾含量排序为CK>T5>T1>T3>T4>T2，MeJA处理较CK显著降低22.93%～36.38%(<0.05)。在开花结果期，各处理有机质含量排序为CK>T1>T2>T5>T4>T3，除T1与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著降低5.84%～44.75%(<0.05)； 各处理碱解氮含量排序为 CK>T1>T5>T4>T2>T3， 除T1与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著降低9.30%～26.74%(<0.05)；各处理有效磷含量排序为 CK>T5>T1>T2>T4>T3，MeJA处理较CK显著降低11.12%～43.15%(<0.05)；各处理有效钾含量排序为 CK>T1>T5>T4>T3>T2，除T1与CK无显著差异外，其余MeJA处理较CK显著降低2.76%～39.26%(<0.05)。

值得注意的是，尽管在总体上，MeJA处理根际土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量相对CK呈现降低趋势，但是综合各个指标和各个时期可以看出，T3或邻近处理处于峰谷位置；在其之后，随着MeJA处理浓度的提高，草莓根际土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量呈反弹上升趋势。

2.2 外源MeJA对连作草莓土壤酚酸类物质含量的影响

从图2可以看出，MeJA处理的根际土壤对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和对香豆酸含量在总体上相对CK处理降低，且多数达显著程度。在幼苗期，各处理对羟基苯甲酸含量排序为CK>T1>T5>T2>T3>T4，除T1与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著降低14.10%～43.06%(<0.05)；各处理香草酸含量排序为T5>T4>CK>T1>T3>T2，其中T1、T2和T3较CK显著降低11.49%～20.11%(<0.05)；各处理阿魏酸含量排序为CK>T1>T5>T2>T4>T3，MeJA处理较CK显著降低15.27%～63.89%(<0.05)；各处理对香豆酸含量排序为CK>T4>T5>T3>T1>T2，T1和T2较CK显著降低25.42%和37.98%(<0.05)，其余MeJA处理与CK无显著性差异。在开花结果期，各处理对羟基苯甲酸含量排序为CK>T5>T1>T4>T3>T2，MeJA处理较CK显著降低20.28%～53.58%(<0.05)；各处理香草酸含量排序为CK>T5>T1>T4>T2>T3，MeJA处理较CK显著降低17.59%～47.65%(<0.05)；各处理阿魏酸含量排序为T5>CK>T1>T4>T2>T3，除T5与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著降低18.37%～42.49%(<0.05)；各处理对香豆酸含量排序为CK>T1>T2>T5>T4>T3，除T1与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著降低18.09%～39.41%(<0.05)。

以上结果表明，外源MeJA可以降低重茬草莓根际土壤对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和对香豆酸积累。并且，无论是在幼苗期还是开花结果期，随着MeJA处理浓度从0增加到500 μmol/L，各处理根际土壤上述4种酚酸化感毒物含量在总体上呈现先下降后上升的趋势。综合来看，T3或邻近处理位于峰谷，在其之后，随着MeJA浓度的提高，连作草莓根际土壤对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和对香豆酸含量呈反弹上升趋势。

2.3 外源MeJA对连作草莓根际土壤酶活性的影响

从图3可以看出，MeJA处理的过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶的活性在总体上相对CK提高，且多数达显著程度。在幼苗期，各处理过氧化物酶活性排序为T2>T3>T4>T5>T1>CK，MeJA处理较CK显著提高25.26%～98.21%(<0.05)；各处理多酚氧化酶活性排序为T3>T2>T4>T1>T5>CK，除T1和T5与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著提高90.05%～202.87%(<0.05)；各处理蛋白酶活性排序为 T2>T3>T1>T4>T5>CK，除T5与CK无显著性差异外，其余MeJA处理较CK显著提高37.92%～171.34%(<0.05)；各处理脲酶活性排序为T3>T2>T1>T4>CK>T5，除T5以外的MeJA处理较CK显著提高12.84%～54.11%(<0.05)。在开花结果期，各处理过氧化物酶活性排序为T2>T4>T3>T1>T5>CK，MeJA处理较CK显著提高27.80%～88.94%(<0.05)；各处理多酚氧化酶活性排序为T3>T2>T4>T1>T5>CK，T2和T3较CK显著提高125.08%～148.81%(<0.05)，其余MeJA处理与CK无显著性差异；各处理蛋白酶活性排序为T3>T2>T4>T1>CK>T5，除T5以外的MeJA处理较CK提高62.52%～148.83%；各处理脲酶活性排序为T3>T2>T1>CK>T4>T5，其中T2和T3较CK显著提高34.15%和65.77%(<0.05)。

无论是在幼苗期还是开花结果期，随着MeJA处理浓度从0增加到500 μmol/L，MeJA处理的根际土壤过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶活性在总体上呈现先上升后下降的趋势。综合来看，T3或邻近处理位于顶峰，在其之后，随着MeJA浓度的提高，草莓根际土壤过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶活性呈下降趋势。

2.4 外源MeJA对连作草莓植株生长指标的影响

由表1可知，各处理的株高排序为T2>CK>T1>T3>T4>T5，T2显著高于T5(<0.05)，其余处理间差异不显著；各处理的单株果数排序为T3>T2>T4>T1>CK>T5，T3显著大于T5，其余处理间差异不显著；各处理的单果质量排序为T3>T2>T4>T1>CK>T5，其中，T3处理的单果质量26.86 g显著大于CK和T5(<0.05)。总体来看，MeJA处理对草莓株高、单株果数和单果质量的影响呈先上升后下降的趋势，并且T3或邻近处理位于顶峰位置。

表1 外源MeJA处理对草莓植株生长的影响

3 讨论

土壤有机质和氮磷钾元素等养分含量影响着植株的生长状况和产量形成，而土壤养分的转化、累积和分解几乎都是通过土壤酶的作用完成。本研究结果显示，MeJA处理的草莓根际土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量在总体上与CK相比呈降低趋势，且多数达显著程度(图1)。这说明外源MeJA对草莓植株具有一定的生理调节作用，有利于促进植株对根际土壤的养分吸收。由于蛋白酶和脲酶活性的增强，有利于土壤中蛋白质等含氮化合物和尿素的转化分解和被植物吸收，因此上述MeJA处理促进根际土壤养分被草莓植株更多吸收的结果，应该与草莓植株经MeJA处理后，其根际土壤的蛋白酶和脲酶活性相比于对照有明显增强(图3)有关。已有研究表明，长期连作会导致土壤中蔗糖酶和脲酶等主要土壤酶活性的降低，从而影响土壤中养分的循环和转化。因此，本研究所发现的施加外源MeJA可以增强连作草莓根际土壤相关酶活性和促进草莓植株吸收土壤养分的结果，就意味着在生产实践中，可以通过施加外源MeJA的措施，来增强土壤相关酶活性和土壤养分的循环转化，进而提高植株长势和缓解连作障碍。

酚酸类物质具有化感作用，会对植株自身产生毒害作用，是作物连作障碍的主要诱因。本研究结果显示，外源MeJA可以降低连作草莓根际土壤的对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和对香豆酸含量(图2)，这可能与外源MeJA可以提高连作草莓根际土壤的过氧化物酶和多酚氧化酶活性(图3)有关，因为过氧化物酶和多酚氧化酶等土壤酶可以促进作物连作土壤酚酸类毒素的降解。已有研究表明，草莓根系分泌物含有的对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸和阿魏酸等酚酸类物质的分泌会明显抑制根质量，同时加剧连作土壤中病原菌菌丝生长、孢子萌发及侵染，加重连作草莓土传根部病害，最终导致再植病害的发生。因此，本研究所发现的施加外源MeJA可以增强连作草莓根际土壤相关酶活性和降低酚酸类化感自毒物质的结果，就意味着在生产实践中，可以通过施加外源MeJA的措施，来增强土壤相关酶的活性和酚酸化感毒物的降解，从而消减草莓连作障碍。

施加外源MeJA后，连作草莓根际土壤养分、土壤酶活性和土壤酚酸类化感自毒物质的变化，除了表现前述的分别相对CK在总体上表现降低或升高的趋势以外，也表现出随着MeJA浓度的增加而在T3或其邻近处理发生转折的规律。即随着MeJA浓度的增加，草莓根际土壤的有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量呈现先下降后上升的趋势(图1)，土壤酚酸类化感自毒物质呈现先下降后上升的趋势(图2)，土壤酶活性则呈现先上升后下降的趋势(图3)，且转折点都出现在T3或其邻近处理。这说明，在以本研究结果为基础，应用外源MeJA消减草莓连作障碍时，应根据作物种类和应用环境筛选最优使用浓度。

4 结论

施用适量外源MeJA后，连作草莓根际土壤酶活性上升，促进了根际土壤的有机质、碱解氮、有效磷和有效钾被植株吸收和土壤酚酸类化感自毒物质降解，进而使得草莓单株果数和单果质量等生长指标提升。但是，上述趋势会随着MeJA浓度的增加而在浓度为100 μmol/L附近时发生转折。因此，在生产实践中，可以应用外源MeJA改善连作草莓根际土壤酶活性，以促进土壤养分被植株吸收和酚酸化感毒物的降解，进而缓解连作障碍；同时，应根据作物种类和应用环境筛选最优使用浓度。