葡甘露寡糖对玉米的诱抗促生作用研究

张馨月，许培瑜，张春来，谢咸生，李 敏，张付云

（1.大连海洋大学食品科学与工程学院，辽宁大连 116023；2.中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连 116023；3.山西省农科院 小麦研究所，山西 太原 030031）

0 引言

玉米是世界四大经济作物之一，是多个国家的重要农作物，是人们生活中不可缺少的一部分[1-2]。中国作为农业大国之一，种植业一直处于农业部门的主导地位[3]，玉米不论是作为粮食产物还是饲料，都发挥着至关重要的作用[4]。随着社会对玉米的需求不断增加，玉米的种植面积也逐渐扩大。近年来，由于作物耕作制度的改变和气候环境的变化，各种病害逐年加重，进一步影响产量[5-6]。

玉米病害是影响玉米产量的主要因素之一。据报道，我国玉米上发生的病害有30 多种，包括矮花叶病、大斑病、小斑病、丝黑穗病等[7-10]，其中玉米矮花叶病和大斑病危害近年来愈发严重[11]。玉米矮花叶病是1963 年在美国的俄亥俄州被首次发现的[12]，该病害导致每年玉米产量损失可达20%～80%[13]。玉米大斑病，又被称为叶枯病、条斑病等，是发生在我国北方和南方山区的重要病害，该病害导致玉米产量的损失可达50%以上[14-17]。玉米矮花叶病和大斑病对玉米产量和品质带来严重的影响，造成了巨大的经济损失。

为追求高产量，减少作物因病害造成的损失，外源施用化学调控剂被广泛应用[18]，外施调控剂已成为培育壮苗和提高产量最直接有效的方法[19]，这也造成了一定的环境压力。近年来，越来越多人开始致力于环境友好型生物农药[20]，不仅可以促进植物的生长发育，而且减少了化肥和农药的使用量，为可持续的绿色农业发展提供了保证。寡糖类诱抗剂是一类具有生物调节功能的碳水化合物，多种研究表明壳寡糖在提高植物抵抗逆境胁迫、促进植物生长等方面发挥重要作用[21-22]。孙磊[23]研究发现，水稻幼苗经壳聚糖处理后，叶绿素含量增加，增强了水稻的抗冷性，缓解低温对水稻的损害。An Q D 等人[24]利用海藻胶降解酶降解得到海藻酸钠寡糖（AOS），发现AOS 可以诱导大豆产生抗毒素，增强大豆对病菌的抗性。薛改妮等人[25]对氨基寡糖素在小麦上的应用效果进行研究，结果发现氨基寡糖素拌种可提高麦苗的出苗率、株高等，也可以增加小麦的抗逆性，在不同时期进行喷药，产量均有一定程度增加。葡甘露寡糖（Glucomannan oligosaccharides，GMOS） 是一种功能性低聚糖，是葡甘露聚糖在物理、化学和生物降解后形成的低聚合度糖的混合物[26]。已有研究表明，甘露寡糖可作为激发子激活水稻和本氏烟草的PTI 免疫反应[27]，可作为保护植物免受疾病侵害的引发剂。

截至目前，鲜有关于施用外源性寡糖- 葡甘露寡糖（GMOS） 对玉米生长发育的影响及诱导对玉米矮花叶病和大斑病抗性的报道，试验通过不同方式，施用不同质量浓度的GMOS，探究玉米株高、茎粗、玉米矮花叶病及大斑病病况和玉米产量的变化，以证实葡甘露寡糖对玉米生长的影响及对玉米矮花叶病和大斑病的诱抗作用，为以葡甘露寡糖为基础而开发的新型环境友好型生态农药提供依据，推动农业绿色生产，也能更好地服务于农业高质量发展。

1 材料与方法

1.1 供试材料

葡甘露寡糖（GMOS，粉剂），中国科学院大学大连化学物理研究所天然产物及糖工程研究组提供；玉米，选用山西省农科院小麦研究所培育的“临玉31”，是当地主要的商品玉米品种，供试材料于2020年种植在山西省临汾市尧都区山西省农业科学院小麦研究所试验基地。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

GMOS 拌种和叶面喷雾处理的质量浓度分别为25，50，100，200，400 mg/L，其中拌种处理以未经GMOS 拌种为对照，叶面喷雾处理以喷施等量清水为对照，共12 个处理，每个处理3 次重复，共36 个小区，随机区组排列，各区之间设立阳性保护行（宽度约2 株玉米），保护行与试验区玉米同时播种，每个小区长8.0 m，宽2.5 m，面积20 m2，种植玉米120 株。

1.2.2 GMOS 拌种方法

播种前，将GMOS 用蒸馏水溶解，质量浓度分别为25，50，100，200，400 mg/L。将种子加入以上质量浓度的100 mL GMOS 溶液内，充分振荡30 s，浸泡2 h 后，倒出摊开置于通风处，阴干后播种。

1.2.3 GMOS 叶面喷雾方法

在玉米五叶期和齐穗期各喷施1 次质量浓度分别为25，50，100，200，400 mg/L 的GMOS 溶液。使用电动喷雾器，用喷头对准玉米喇叭口处喷雾1 s左右，以喇叭口为中心，晃动喷头喷雾1 圈，确保每株玉米喷施均匀，喷液量为10 mL 左右。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生长评价

测定指标包括株高、茎粗。在玉米收获前测量株高和茎粗，用滑杆测量株高（茎基部到植株生长最高处），用游标卡尺测量茎粗（茎基部的粗度）[28]。

1.3.2 枯萎病病情分级及诱抗效果评价

在植株抽雄后20～25 d，以整株为单位，随机选取25 棵进行调查，按照0，1，3，5，7，9 症状级别标准进行调查记载，计算病情指数，确定其症状级别[29]。

按照下面公式计算：

1.3.3 产量评价

在成熟期，选择未取样的玉米收10 穗玉米籽粒，将籽粒样品在标准大气压环境下在105 ℃下烘干至恒质量，利用籽粒鲜质量和干质量计算籽粒含水率[28]，计算公式为：

按照下面公式计算：

1.4 数据处理

数据处理及绘图采用Microsoft Excel 2016 和GraphPad Prism 8.0 软件完成，用SPSS 25.0 进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 葡甘露寡糖可以增加玉米的株高和茎粗

株高和茎粗是表现玉米生长效果的重要指标。结果发现，较低质量浓度的GMOS 拌种或者喷施处理对提高玉米株高作用不明显，而高质量浓度的GMOS 处理促生效果较好（见图1），在采用100 mg/L和400 mg/L 的GMOS 拌种时显著地提高了玉米的株高，与对照组相比均提高了3.64%（p＜0.01），相比之下200 mg/L 的GMOS 拌种效果稍逊色，但显著地提高了株高，增加了2.55%（p＜0.05），而叶面喷雾处理中只有400 mg/L 的GMOS 处理效果较好，株高提高了1.43%（p＜0.05）。

图1 不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下玉米的株高

不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下玉米的株高见图1。

不同质量浓度GMOS 在2 种处理方式下对玉米茎粗有一定促进效果。梯度质量浓度的GMOS 拌种和喷施均能够增加玉米茎粗，但只有200 mg/L 喷施处理下效果显著（p＜0.05），玉米茎粗增加了11.82%（见图2）。总而言之，GMOS 在拌种和叶面喷雾2 种处理方式下对玉米株高及茎粗均有一定的促进作用，但具体的促生效果受施用方式的影响，并存在着一定的质量浓度依赖性。

图2 不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下玉米茎粗

不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下玉米茎粗见图2。

2.2 葡甘露寡糖对玉米矮花叶病和大病斑有防治效果

拌种和叶面喷施对玉米矮花叶病均有防治效果。玉米矮花叶病病情指数（见图3） 显示，25，50，100，200，400 mg/L GMOS 拌种或者喷施处理下，玉米矮花叶病病情指数相对于对照组都有极显著的差异，100 mg/L GMOS 的拌种处理和200 mg/L GMOS的喷施处理防治效果最佳，分别下降了64.22%和66.96%（p＜0.001），说明葡甘露寡糖在防治玉米矮花叶病时起着极其重要的作用。

图3 不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下玉米矮花叶病的病情指数统计

不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下玉米矮花叶病的病情指数统计见图3。

葡甘露寡糖在拌种和叶面喷雾处理下均可抑制玉米大斑病，且与对照组有显著差异。由图4 可知，5 种质量浓度的GMOS 拌种或者叶面喷施都显著地降低了玉米大斑病的病情指数，25，100，200 mg/L 拌种处理下极显著地降低了该病的病情指数，分别降低了58.7%，57.72%，57.7%（p＜0.001）；50 mg/L和400 mg/L较显著地降低大斑病的病情，分别为51.75%和54.71%（p＜0.01）。5 种质量浓度的GMOS喷施处理均极显著地降低了玉米大斑病的病情，其中100 mg/L GMOS 防治效果最好，降低了54.51%（p＜0.001），说明葡甘露寡糖在防治玉米大斑病时有着非常显著的作用。

图4 不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理对玉米大斑病的病情指数统计

不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理对玉米大斑病的病情指数统计见图4。

2.3 葡甘露寡糖可提高玉米的产量

不同质量浓度的GMOS 拌种和叶面喷施处理都可增加玉米的产量，由图5 可知，在3 次统计中，只有25 mg/L 喷施处理下能够较显著增加10 穗玉米籽粒的质量；拌种处理也可适当增加10 穗玉米籽粒的质量。以上表明GMOS 在拌种和喷雾处理下均可增加玉米的产量，且较小质量浓度的GMOS 喷雾后玉米产量更高，处理效果更显著。

图5 不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下的玉米产量

不同质量浓度葡甘露寡糖在拌种和喷雾处理下的玉米产量见图5。

3 结论

培育壮苗是栽培农作物的重要部分[30]，而株高和茎粗是检测玉米生长的重要指标之一，通过株高和茎粗可以观察玉米生长情况。相关研究结果发现，不同质量浓度褐藻寡糖可提高玉米的株高、茎粗，促进玉米生长发育[31]。王庆燕等人[32]研究表明，适宜质量浓度的冠菌素（COR） 拌种和叶面喷施处理可以促进玉米幼苗期的株高和茎粗；常见的植物生长调节剂（氨基寡糖素可溶液剂，吡唑醚菌酯乳油·芸苔素内酯可溶液剂） 也可提高玉米的株高、茎粗，降低穗位高，同时可增加玉米的穗质量和百粒质量[33]。试验结果表明，较高质量浓度的GMOS 拌种或喷雾处理都可增加玉米的株高和茎粗，证实了葡甘露寡糖可作为一种植物生长调节剂，在植物生长中发挥重要作用。

玉米矮花叶病和大斑病作为玉米生产上的一类典型病害，在世界各玉米产区均有发生，长期以来严重影响着玉米的产量和品质[5]。外施植物调节剂可有效预防病害的发生，据调查，施用新型植物生长调节剂（木质素酸钠） 能加强植株的抗病能力，可有效抑制水稻病害[34]；氨基寡糖素在烟草上对TMV的防治效果达50%以上，且在番茄上对番茄叶霉菌的防治效果高达80%[35-36]。郭成瑾[37]研究表明，聚合度为3～10 的壳寡糖能够诱导烟草植株抗烟草花叶病毒能力的提高。研究也发现，在GMOS 施用下玉米对玉米矮花叶病和大斑病均有显著的抗性。

产量是一种衡量植物栽培技术及方法手段的重要指标，外界因素的变化会或多或少影响产量[38-39]。研究表明，25 mg/L GMOS 叶面喷施处理的玉米增产效果最佳。根据调查研究表明，在玉米八叶时期喷施生长调节剂可增加玉米的行粒数和出籽率[2，40-41]；在大喇叭口期喷施矮壮素可以增加行粒数和穗粒数[42]。吴琼[43]研究结果也表明AOS 叶面喷雾处理玉米产量更高，与该研究验证结果一致。

葡甘露寡糖可作为一种无毒、无害、无残留的天然植物生长调节剂，在农业生产中的应用前景广阔。验证了使用葡甘露寡糖对玉米进行拌种和叶面喷雾处理，在高质量浓度条件下（100，200，400 mg/L） 对玉米的株高、茎粗有良好的促进作用，且25，100，200 mg/L 质量浓度的GMOS 对玉米的抗病有着最佳的效果。综合分析，在田间生产上，建议施用100，200 mg/L 质量浓度的GMOS，对植物生长与抗病效果最佳，为以其为基础制备新型生态农药提供依据。然而，葡甘露寡糖在植物生长发育过程中的作用机制仍有待于从分子水平进一步深入研究。